Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10316/97932
Title: Polarimetry for High-Energy Astrophysics
Other Titles: Polarimetria para Astrofísica de Altas Energias
Authors: Salgado, Gabriel Oliveira
Orientador: Pereira, Jorge Manuel Maia
Silva, Rui Miguel Curado da
Keywords: AMEGO; AMEGO-X; Polarimetria; Radiação gama; Polarização mínima detetável; AMEGO; AMEGO-X; Polarimetry; Gamma radiation; Minimum detectable polarization
Issue Date: 2-Nov-2021
Serial title, monograph or event: Polarimetry for High-Energy Astrophysics
Place of publication or event: LIP Coimbra, Departamento de Física da Universidade de Coimbra
Abstract: Polarimetry is an active field across the electromagnetic spectrum and has played a significant role on the study of astronomical sources for decades. Polarimetry contributes with measurements of the polarization angle and degree of linear polarization of photons, allowing the discrimination between competing models of emission mechanisms of astronomical sources. However, high-energy polarimetry has known its first progresses only in the past couple decades, contributing with measurements of the Crab and of bright gamma-ray bursts (GRBs). Despite the advances in this field, the emission mechanisms behind GRBs are still unknown. The objective of this work is to characterize, through simulations, the sensitivity to polarization of the AMEGO and AMEGO-X instruments. AMEGO is projected for the probe-class NASA missions call, while AMEGO-X is designed for the MIDEX call. The second consists of lighter and less complex version of the first, with a smaller cost. AMEGO will operate as a Compton-pair telescope observing the sky in survey mode, promoting synergies with other observatories and contributing to the multi-messenger astrophysics. It is capable of performing imaging, spectroscopic, timing and polarimetric measurements, providing better sensitivities than previous instruments, in the MeV range. The potential polarimetric sensitivity of AMEGO and AMEGO-X is estimated through simulations with MEGAlib, which is a consolidated Monte Carlo simulation tool that simulates the interactions of the gamma radiation with the radiation detectors. The modulation factors of AMEGO and AMEGO-X are its highest values at low-energies, decreasing as the energy of the photons increases, presenting a value of ~ 0.57 and ~ 0.43, at 200 keV, and ~ 0.16 and ~ 0.06, at 1100 keV. The efficiency of AMEGO is at its highest at 600 keV and corresponds to ~ 20%, while the efficiency of AMEGO-X corresponds to ~ 5%, at this energy, while applying an ARM cut of 15º. The contribution that each detector type has on the overall efficiency and modulation factor is assessed. The low-energy calorimeter is the detector that contributes the most for the modulation factor and efficiency of the instrument. This is observed for interactions happening uniquely in this detector, but also for interactions that happen in pairs of detectors. The low-energy calorimeter consists of a 4 cm thick, high atomic number, single plane detector. Its thickness and high atomic number contributes to its efficiency and its single plane geometry to its high modulation factor, due to the measurement of photons that scatter close to right angles. Regarding the pairs of detectors, the best efficiency at energies below ~ 800 keV is obtained with the low-energy calorimeter and the tracker detector, and above this energy the best efficiency is obtained with the low and high-energy calorimeter. The best modulation factors obtained with pairs of detectors are obtained with the ones that are not vertically aligned, which favors the detection of photons scattered at near right angles.Regarding the sensitivities to polarization of the instruments in its operation conditions, it is computed the minimum detectable polarization (MDP) as a function of the observation time for the GRB 170817A, a model of short gamma-ray bursts (GRBs) and the Crab. It is observed that the differences of the sensitivity to polarization, between both instruments, are more distinct for weak sources and for short observation times. It is determined that for the GRB 170817A, a MDP of ~ 55% and ~ 78% is obtained with AMEGO and AMEGO-X, respectively, while for the most intense GRB of the short GRB model, it is expected a MDP of ~ 10% and ~ 20%, respectively. For an observation time of 1e3 s of the Crab, a MDP of ~ 42% and ~ 64% is obtained with AMEGO and AMEGO-X, respectively, and for an observation time of 1e6 s, the MDPs are ~ 1% and ~ 2%. AMEGO presents a higher sensitivity to polarization and will be able to perform polarimetric measurements of weaker sources than AMEGO-X. The proposal of the two instruments increases the odds of one being accepted and launched, which will benefit many areas of the MeV astrophysics.
A polarimetria é aplicada ao longo de todo o espetro electromagnético, contribuindo há décadas para o estudo de fontes astronómicas. A polarimetria contribui com medições do ângulo de polarização e do nível de polarização linear de fotões, permitindo a distinção entre modelos concorrentes de mecanismos de emissão de fontes astronómicas. No entanto, a polarimetria de altas energias começou a progredir apenas nos últimos 20 anos, com medições polarimétricas da Nebulosa do Caranguejo e de explosões de raios gama (gamma-ray burst, GRB). Apesar dos avanços desta área, os mecanismos de emissão de GRBs ainda são desconhecidos.O objetivo deste trabalho é caracterizar, através de simulações, a sensibilidade à polarização dos instrumentos AMEGO e AMEGO-X. O AMEGO foi desenhado para a chamada de missões da NASA do tipo “probe”, enquanto o AMEGO foi desenhado para o tipo de missões MIDEX. O segundo consiste numa versão de um instrumento mais leve e menos complexo que o primeiro, com um custo associado menor. O AMEGO irá operar como um telescópio de Compton e de produção de pares e irá observar o céu em modo “survey”, promovendo sinergias com outros observatórios e contribuindo para a astrofísica multimensageira. É capaz de produzir imagens e realizar medições de espectroscopia, temporais e polarimétricas, com melhores sensibilidades que instrumentos anteriores, na gama de energias da ordem dos MeV. A sensibilidade à polarização do AMEGO e do AMEGO-X são determinadas através de simulações com o MEGAlib, que é uma ferramenta que permite simular a interação de radiação gama com detetores de radiação. Os fatores de modelação do AMEGO e do AMEGO-X, apresentam um valor superior nas energias mais baixas, e diminuem à medida que a energia dos fotões aumenta, apresentando um valor de ~ 0.57 e ~ 0.43, a 200 keV, e ~ 0.16 e ~ 0.06, a 1100 keV. O valor mais alto da eficiência do AMEGO é obtido a 600 keV e corresponde a ~ 20%, enquanto a eficiência do AMEGO-X é ~ 5% nesta energia, para fotões com um ARM menor que 15º. É avaliada a contribuição de cada detetor para a eficiência e para o fator modelação. O calorímetro de baixas energias é o detetor que mais contribui para a o fator de modelação e eficiência do instrumento. Isto é observado para interações que ocorrem unicamente com este detetor, mas também para interações que ocorrem entre pares de detetores. O calorímetro de baixas energias consiste num detetor plano único, com uma espessura de 4 cm e feito de um material de alto número atómico. O alto número atómico e a sua espessura contribuem para a sua elevada eficiência, e a sua geometria contribui para um fator de modelação alto, devido a deteção de fotões que são dispersos a ângulos perto de 90º. O pares de detetores que apresentam melhores eficiências a energias abaixo de ~ 800 keV é o par constituído pelo calorímetro de baixas energias e pelo detetor “tracker”, e acima destas energias a melhor eficiência é obtida com o calorímetros de baixas e altas energias. Os pares que contribuem com o melhor fator de modelação são aqueles que não estão alinhados verticalmente, o que favorece a deteção de fotões que dispersam perto de ângulos retos.Em relação às sensibilidades polarimétricas dos instrumentos nas suas condições de operação, é calculada a polarização mínima detetável (minimum detectable polarization, MDP) em função do tempo de observação para a GRB 170817A, um modelo de GRBs curtas e para a Nebulosa do Caranguejo. É observado que as diferenças da sensibilidade à polarização entre os dois instrumentos, são mais acentuadas para fontes com baixa emissão e para tempos de observação curtos. Para a GRB 170817A, é obtido uma MDP de ~ 55% e ~ 78%, com o AMEGO e AMEGO-X, respetivamente, enquanto que para a GRB mais intensa do modelo de GRBs curtas, é esperado uma MDP de ~ 10% e ~ 20%, respetivamente. Para um tempo de observação de 1e3 s, da Nebulosa do Caranguejo, é obtida uma MDP de ~ 42% e ~ 64%, com o AMEGO e AMEGO-X, respetivamente, e para um tempo de observação de 1e6 s, as MDPs são ~ 1% e ~ 2%. O AMEGO apresenta melhores sensibilidades à polarização e será capaz de fazer medições polarimétricas de fontes menos intensas do que o AMEGO-X. A proposta dos dois instrumentos aumenta a probabilidade de um ser aceite e lançado para orbita, o que beneficiará várias áreas da astrofísica na região de energia dos MeV.
Description: Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Física apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia
URI: http://hdl.handle.net/10316/97932
Rights: openAccess
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