Quality Control of Mirror Alignment Components for the Cherenkov Telescope Array Observatory and Pulsar Analysis with the 28 m Telescope of the High Energy Stereoscopic System

Abstract

Abbildende Cherenkov Teleskope (IACTs) detektieren Cherenkov-Licht von sekundären Teilchenschauern, die durch 𝛾������-Strahlung mit Photonenenergien von ∼ 10^(−2) TeV− 10^(2) TeV ausgelöst werden. Das Cherenkov-Licht wird durch Reflektoren mit einem segmentierten Spiegel, der aus bis zu mehreren hundert einzelnen Spiegelfacetten besteht, in eine Kamera fokussiert, welche sich in der Brennebene des Teleskops befindet. Diese Dissertation befasst sich mit der Qualitätskontrolle von mechanischen Komponenten zur Spiegelausrichtung für das große Teleskop (LST) und das mittelgroße Teleskop (MST) des zukünftigen bodengebundenen Cherenkov Telescope Array Observatory (CTAO) und der Datenanalyse von zwei Pulsaren unter Verwendung einer neuartigen Kamera-Auslöseeinstellung des 28m Teleskops des High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.). Jede einzelne Spiegelfacette des Reflektors ist mit einem Fixierpunkt und zwei längenverstellbaren Aktuatoren an der Spiegelträgerstruktur befestigt. Dies ist ein Satz von Spiegelausrichtungskomponenten. Die Bildauflösung und Genauigkeit der Teleskopausrichtung setzen den nicht reproduzierbaren Positionsunsicherheiten der Spiegelausrichtungskomponenten unter verschiedenen Gewichts- und Windbelastungen Grenzen. Die Qualitätskontrolle der Spiegelausrichtungskomponenten ist somit ein notwendiger Kontrollprozess, um die wissenschaftliche Leistung des Teleskops zu gewährleisten. Ein inzwischen patentierter Prüfstand, der vom Institut für Astronomie und Astrophysik Tübingen (IAAT) entwickelt wurde, misst die Kraft-Weg-Kennlinie und quantifiziert die mechanischen Eigenschaften der Spiegelausrichtungskomponenten, wobei letztere das mechanische Spiel und die (visko-)elastische Verformung sind. Diese Dissertation liefert wesentliche Erkenntnisse zur Messtheorie, sowie zur qualitativen und quantitativen Bewertung der systematischen und statistischen Fehler, die die Messgenauigkeit des Prüfstands beeinflussen. Der statistische Fehler, der durch die wiederholte Montage eines beispielhaften Aktuators mit einem Kardanring mit zwei Freiheitsgraden verursacht wird, wurde empirisch auf ±5µm der gemessenen absoluten Auslenkung bei einer gegebenen Zug- und Druckbelastung ermittelt, die den Beobachtungsbedingungen entspricht. Die Kraft-Weg-Eigenschaften von spiegel- und teleskopseitigen Schnittstellenlösungen der Spiegelausrichtungskomponenten wurden mit dem Prüfstand bewertet. Es wurden geeignete Schnittstellenlösungen identifiziert, die eine zufriedenstellende Leistung bieten, um die wissenschaftlichen Anforderungen der LST und MST zu erfüllen. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass das viskoelastische Verhalten der spiegelseitigen Schnittstellenlösung die Quantifizierung der nicht reproduzierbaren Positionsunsicherheiten der Spiegelausrichtungskomponenten, im Vergleich zu auschließlich elastischer Verformung und mechanischem Spiel, erschwert. Infolgedessen wird die absolute Auslenkung als Leistungsmerkmal für die Qualitätskontrolle festgelegt. Der Prüfstand ist somit bereit für die Leistungsbewertung und die großangelegte Qualitätskontrolle, der für die MSTs und LSTs hergestellten Spiegelausrichtungskomponenten. Pulsare sind schnell rotierende Neutronensterne mit starken Magnetfeldern, die geladene Teilchen beschleunigen. Dies führt zur Emission gepulster elektromagnetischer Strahlung. Das 28m Teleskop von H.E.S.S. (CT5) bietet die Möglichkeit, den spektralen Grenzbereich von Pulsaren im Energiebereich von ∼ 10GeV mit hoher Statistik zu untersuchen. Im Oktober 2019, wurde eine FlashCam – eine für das MST geplante Kamera – in CT5 installiert. Beobachtungen des Vela-Pulsars verifizierten das Timing-System der Kamera im Jahr 2020 und motivierten Beobachtungen des Vela-Pulsars und des Pulsars B1706-44, zwei bereits mit CT5 entdeckte Pulsare, unter Verwendung einer neuartigen Kamera-Auslöseeinstellung. Diese Auslöseeinstellung ist um 15% im Vergleich zur nominalen Einstellung reduziert. Ganzheitliche Monte-Carlo (MC) Simulationen des von dem sekundären Teilchenschauen emittierten Cherenkov-Lichts und der Instrumentenantwort sind für die Analyse der mit IACTs gewonnen Daten unerlässlich. Die MC-Simulationen des H.E.S.S. Analysis Program (HAP) wurden an die reduzierte Kamera-Auslöseeinstellung, den Nachthimmelhintergrund und die atmosphärischen Bedingungen, welche während den Pulsarbeobachtungen herrschten, angepasst. Aus den MC-Simulationen wurden die Instrumentenantwortfunktionen bestimmt. Eine signifikante Erhöhung der effektiven Fläche für simulierte Energien von ≲ 80GeV wird für die reduzierte, im Vergleich zu der nominelle, Kamera-Auslöseeinstellung festgestellt. Dagegen erfordert eine Verringerung des für die Spektralanalyse relevanten sicheren Energieschwellenwertes weitere Optimierungsarbeit innerhalb von HAP. Mit den Beobachtungen von 2021 wird der P2-Peak des Vela-Pulsars mit einer statistischen Signifikanz von 27.3𝜎������ beobachtet, und der P1- und P3-Peak mit 2.96𝜎������ beziehungsweise 3.95𝜎������. Die gepulste Emission von B1706-44 wird mit einer statistischen Signifikanz von 5.7𝜎������ beobachtet. Ein Vergleich der Exzess- und Signifikanzraten als Funktion des Zenitwinkels anhand von Beobachtungen des Vela-Pulsars mit der reduzierten und der nominalen Kamera-Auslöseeinstellung ergab einen Empfindlichkeitsgewinn mit der reduzierten Kamera-Auslöseeinstellung. Die korrekte Funktionsweise der Instrumentenantwortfunktionen wurde durch die Rekonstruktion der Spektren der beiden Pulsare verifiziert, die mit früheren, von H.E.S.S. veröffentlichten Ergebnissen übereinstimmten. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die reduzierte Kamera-Auslöseeinstellung eine gute Beobachtungsstrategie für astronomische Quellen mit einem steil abfallenden Spektrum, wie Pulsaren und möglicherweise Gammastrahlenausbrüchen, ist.

Imaging Atmospheric Cherenkov Telescopes (IACTs) detect Cherenkov light from secondary particle showers initiated by 𝛾�����-rays with photon energies of ∼ 10^(−2) TeV − 10^(2) TeV. The Cherenkov light is focused by reflectors with a tessellated mirror consisting of up to several hundred individual mirror facets into a camera located in the focal plane of the telescope. This thesis deals with the quality control of Mirror Alignment Components (MACs) for the Large-Sized Telescope (LST) and Medium-Sized Telescope (MST) of the future ground-based Cherenkov Telescope Array Observatory (CTAO) and the observational data analysis of two pulsars using a novel camera trigger setting of the 28m telescope of the High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.). Each mirror facet of the tessellated reflector is mounted with a fix point fixed in length and two actuators with adjustable length to the mirror support structure. This constitutes a set of MACs. Image resolution and pointing accuracy constraints impose limits on the non-reproducible positioning uncertainties of the MACs under various weight and wind loads, which makes quality control a necessary tool to ensure the scientific performance of the telescope. A meanwhile patented test stand developed by the Institut für Astronomie und Astrophysik Tübingen measures the force-displacement characteristics and quantifies the mechanical properties of the MACs with the latter being mechanical play and (visco-)elastic deformation. This thesis contributes key insights into the measurement theory, and the qualitative and quantitative assessment of the systematic and statistical errors influencing the measurement accuracy of the test stand. The statistical error introduced by repeated mountings of an exemplary actuator with a two Degree of Freedom gimbal was empirically determined to be ±5µm on the absolute displacement measured for a given tensile and compressive load resembling observation conditions. The force-displacement characteristics of mirror-sided and telescope-sided interface solutions of the MACs were evaluated with the test stand. Suitable solutions offering satisfactory performance to fulfill the scientific requirements of the LST and MST were identified. Furthermore, the viscoelastic behavior of the mirror-sided interface solutions was identified to complicate, compared to only elastic deformation and mechanical play, the quantification of the non-reproducible positioning uncertainties of the MACs. Consequently, the absolute displacement is identified as the figure of merit for the quality control. The test stand is ready for the performance evaluation and large-scale quality control of MACs produced for the MSTs and LSTs. Pulsars are rapidly rotating neutron stars with strong magnetic fields that accelerate charged particles leading to the emission of pulsed electromagnetic radiation. The 28m telescope of H.E.S.S. (CT5) offers the possibility to study the spectral-cutoff region of pulsars in the energy range of ∼ 10GeV with high statistics. A FlashCam, a camera planned for the MST, was installed into CT5 in October 2019. Observations of the Vela pulsar verified the timing system of the camera in 2020 and motivated observations of the Vela pulsar and the pulsar B1706-44, two pulsars already detected with CT5, using a novel camera trigger setting, which is reduced by 15% compared to the nominal one. End-to-end Monte Carlo (MC) simulations of the Cherenkov light emitted by the particle shower and the instrument response are necessary for the analysis of data acquired with IACTs. The MC simulations of the H.E.S.S. Analysis Program (HAP) were adapted to the reduced trigger setting, and the Night Sky Background (NSB) and atmospheric transparency conditions present during the pulsar observations. From the MC simulations, the Instrument Response Functions (IRFs) are derived. A significant increase of the effective area for simulated energies of ≲ 80GeV is observed for the reduced camera trigger setting compared to the nominal one, while a reduction of the safe energy threshold relevant for the spectral analysis requires future optimization work within HAP. With the 2021 observations, the P2 peak of the Vela pulsar is observed with a statistical significance of 27.3𝜎�����, and the P1 and P3 peak with 2.96𝜎����� and 3.95𝜎�����, respectively. The pulsed emission of B1706-44 is observed with 5.7𝜎�����. A comparison of the excess and event rates as function of the zenith angle using observations of the Vela pulsar taken with the reduced and the nominal trigger setting revealed a gain in sensitivity with the reduced trigger setting. The proper working principle of the IRFs was verified by reconstructing the spectra of the two pulsars, which were in accordance with previous results published by H.E.S.S. In conclusion, the reduced trigger setting is a good observational strategy for astronomical sources with a steep spectrum such as pulsars and potentially Gamma-Ray Bursts.