Gamma-ray blazars as candidate sources of high-energy neutrinos

Abstract

Nach der Entdeckung eines diffusen Flusses hochenergetischer astrophysikalischer Neutrinos durch das IceCube South Pole Neutrino Observatory im Jahr 2013 sind die Quellen, die für den Großteil dieser Emission verantwortlich sind, immer noch unbekannt. Blazare, jene AGN mit einem relativistischen Jet, der auf die Erde zeigt, gelten als Hauptkandidaten für die Beschleunigung der kosmischen Strahlung und die Produktion hochenergetischer Neutrinos. Diese Doktorarbeit ist motiviert durch den Nachweis des Gammastrahlen-Blazers TXS 0506+056 in räumlicher Koinzidenz mit dem Neutrino IceCube-170922A. In dieser Arbeit präsentiere ich die Ergebnisse einer detaillierten Gammastrahlenanalyse des Blazars TXS 0506+056 über 9,6 Jahre Fermi-LAT-Beobachtungen. Die Quelle ist stark variabel im Gammastrahlenband zur Ankunftszeit des Neutrinos IceCube-170922A, was auf eine Neutrino-Gammastrahlen-Verbindung hindeutet. Die Quelle wird jedoch während eines zusätzlichen niederenergetischen Neutrinosignals, das 2014/15 von Ice-Cube in Archivdaten von derselben Quelle entdeckt wurde, in einem niedrigen Zustand beobachtet. In dieser Arbeit wurde ein zweiter Gammastrahlen-Blazar GB6 J1040+0617 in räumlicher und zeitlicher Übereinstimmung mit dem hochenergetischen Neutrino-Ereignis IceCube-141209A gefunden, während er eine erhöhte Aktivität im Gammastrahlen- und im optischen Band zeigt. Eine zweite Suche nach Blazar-Gegenstücken zu hochenergetischen Neutrinos erfolgt durch Echtzeit-Follow-up von mehr als 60 IceCube-Alerts mit dem Fermi-LAT. Der kräftige Blazar PKS 1502+106, der zusammen mit dem Ereignis IceCube-190730A gefunden wurde, stellt einen herausragenden wissenschaftlichen Fall dar. Schließlich wird eine Studie zum Vergleich der durchschnittlichen Gammastrahlenemission der potenziellen Neutrino-Gegenstücke mit der gesamten Stichprobe von Gammastrahlen-Blazaren vorgestellt. Die Ergebnisse zeigen mögliche Hinweise auf eine Korrelation zwischen Neutrino- und Gammastrahlen-Energieflüssen.

After the discovery of a diffuse flux of high-energy astrophysical neutrinos by the IceCube South Pole Neutrino Observatory in 2013, the sources responsible for the majority of this emission are still unknown. Blazars, those AGN with a relativistic jet pointing towards Earth, are considered prime candidates for cosmic-ray acceleration and the production of high-energy neutrinos. This thesis work is motivated by the detection of the flaring gamma-ray blazar TXS 0506+056 in spatial and temporal coincidence with the neutrino event IceCube-170922A, that represented a milestone for the new field of multi-messenger astronomy. In this thesis, I present the results of a detailed gamma-ray analysis of the blazar TXS 0506+056 over 9.6 years of Fermi-LAT observations. The source shows strong flux variability in the gamma-ray band at the arrival of IceCube-170922A, indicating a neutrino gamma-ray connection, while is observed in a lowstate during an additional lower-energy neutrino signal detected from the same source by IceCube in 2014/15 in archival data. This puzzling behaviour has motivated further studies on the blazar sources coincident with single high-energy neutrinos. In this thesis, a second gamma-ray blazar GB6 J1040+0617, is found in spatial and temporal coincidence with the high-energy neutrino event IceCube-141209A while showing enhanced activity in the gamma-ray and optical bands. A second search for blazar counterparts to high-energy neutrinos is done through realtime follow-up of more than 60 IceCube alerts with the Fermi-LAT. The powerful blazar PKS 1502+106 found coincident with the event IceCube-190730A represents an outstanding science case. Lastly, a study to compare the average gamma-ray emission of the potential neutrino counterparts to the entire sample of gamma-ray blazars is presented. The results show possible indications of correlation between neutrino and gamma-ray energy fluxes.