Analyse des donn´ees H.E.S.S

S´election des observations

G349.7+0.2 a b´en´efici´e d’une tr`es bonne exposition de H.E.S.S. pour plusieurs raisons. D’abord sa position dans le plan galactique permet d’utiliser les observations r´ealis´ees dans le cadre des «balayages galactiques» r´ealis´es depuis 2004. Ces observations ont ´et´e r´ealis´ees `a des point´es r´eguliers couvrant l’ensemble du plan galactique accessible par H.E.S.S.. En-suite, G349.7+0.2 a fait l’objet d’observations d´edi´ees suite `a une proposition d’observation interne [81]. Enfin, elle se situe `a moins de 3◦

de la source tr`es ´etudi´ee RX J1713.7−3946. Ce vestige de supernova ´etendu a b´en´efici´e d’une exposition exceptionnelle r´ev´elant une ´emission γ >100 TeV avec une morphologie en forme de coquille [22].

La figure8.5montre le champ de vue de 5◦

autour de G349.7+0.2 vu par H.E.S.S.. RX J1713.7−3946 apparaˆıt clairement au sud du champ de vue, le cercle blanc repr´esente la r´egion test´ee pour

l’analyse de G349.7+0.2. Trois points chauds apparaissent entre cette derni`ere et RX J1713.7−3946, il s’agit de CTB 37 A&B [16,17] et la n´ebuleuse de vent de pulsar HESS J1718−385 [19].

Figure 8.5 – Carte en exc`es de 5◦x5◦ de la r´egion autour de G349.7+0.2 vue par H.E.S.S.. La taille des pixels est de 0.01◦

, le sur´echantillonage est de 0.06◦

. Le cercle blanc repr´esente la r´egion ON utilis´ee pour l’analyse.

Les observations ont ´et´e s´electionn´ees parmi cet important lot de donn´ees en suivant les crit`eres de qualit´e d´ecrits en section3.3. Ainsi, un total de 113 heures d’observation sont dispo-nibles pour l’analyse. Le r´esum´e des observations s´electionn´ees est d´etaill´e dans le tableau 8.1. Beaucoup d’acquisitions ont ´et´e r´ealis´ees avec un d´ecalage hors axe important. La figure 8.6

montre la distribution de ce d´ecalage dans les observations choisies (gauche). Ainsi sa valeur est en moyenne ∼1.8◦ pour toutes les donn´ees. De plus, la plupart de ces point´es lointains ont ´et´e r´ealis´es dans la mˆeme r´egion. Cela introduit donc un gradient d’acceptance dans le champ

Table 8.1 – D´etails des observations H.E.S.S. ayant satisfait les crit`eres de qualit´e et utilis´ees pour l’´etude de G349.7+0.2

Observations Date Temps Nombre D´ecalage de point´e (Moyenne)

(h) (deg)

Scan galactique 1 05-07/2004 7.2 17 0.6−2.3 (1.6) Scan galactique 2 05-06/2008 11.8 28 0.7−1.5 (0.9) G349.7+0.2 (d´edi´ees) 04-09/2010 10.5 24 0.5−0.7 (0.5) Autres sources 04/2004-09/2012 83.5 194 0.8−2.3 (1.9)

vue. Ce gradient est visible en figure 8.7. Ce gradient est pris en compte et corrig´e dans l’ana-lyse mais ses performances g´en´erales ne sont donc pas optimales. Cet effet a ´et´e ´etudi´e dans l’analyse du NAG 1ES 1312−423 [101]. Retirer ces observations aurait r´eduit ´enorm´ement la statistique et empˆech´e l’´etude de G349.7+0.2. De plus, les observations `a grand d´ecalage de point´e permettent de d´efinir beaucoup de r´egions OFF pour estimer le fond. Les fluctuations statistiques dues aux faibles nombres d’´ev`enements dans chaque acquisition sont ainsi r´eduites. La distribution de l’angle z´enithal, principal param`etre responsable du seuil en ´energie, est aussi montr´ee dans la figure 8.6 (droite). L’angle z´enithal moyen, ∼35◦

, avec ∼80 acquisitions prises `a moins de ∼20◦ permet d’esp´erer un seuil en ´energie bas.

Offset (deg) 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 Runs 0 20 40 60 80 100

Zenith angle (deg)

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Runs 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

Figure8.6 – Distribution du d´ecalage hors axe (figure de gauche) et de l’angle z´enithal (droite) des observations de G349.7+0.2 ayant satisfait les crit`eres de s´election.

M´ethode de l’analyse

Les donn´ees ont ´et´e trait´ees avec l’analyse Model. Cette ´etude a ´et´e r´ealis´ee entre 2012 et 2013. Pendant cette p´eriode, l’analyse Xeff pr´esent´ee en section 5.2 ´etait en d´eveloppement. Model++ ´etait l’analyse stable la plus performante `a ce moment, elle a donc ´et´e pr´ef´er´ee.

G349.7+0.2 est localis´ee dans le plan galactique o`u un NSB moyen perturbe la reconstruc-tion des gerbes atmosph´eriques. Le jeu de coupures «standards» a ´et´e choisi pour ´eviter les syst´ematiques dues au NSB (voir section 3.4).

La r´egion ON d´efinie pour l’analyse est centr´ee en αJ2000 = 17h18m0.96, δs J2000= −37◦26′30′′.1 et de rayon 0.1◦. Ce dernier correspond au choix d’une source ponctuelle. La taille angulaire

Figure 8.7 – Cartes d’acceptance de l’analyse des observations s´electionn´ees pour l’´etude de G349.7+0.2 calcul´ees `a partir des ´ev`enements hadron `a gauche et gamma `a droite.

de G349.7+0.2 est de ∼2′

et la r´esolution angulaire de H.E.S.S. est de ∼0.06◦ =3.6′. Le choix d’une analyse de source ponctuelle est donc justifi´ee. Une analyse morphologique d´etaill´ee est montr´ee `a la suite des r´esultats spectraux.

R´esultats

Les r´esultats de l’analyse sont r´esum´es dans la figure8.8. La r´eduction des performances de l’analyse due au d´ecalage de point´e important engendre un facteur de r´eduction de ∼39%. Le temps d’observation corrig´e de l’acceptance est ainsi de 44.2h.

Un total de 168 γ est mesur´e dans la r´egion ON apr`es soustraction du fond. La significativit´e de l’exc`es mesur´e est de 6.8σ. Pour ´etudier G349.7+0.2 trois analyses ont ´et´e r´ealis´ees car plusieurs r´e-´etalonnages des donn´ees ont eu lieu. La position de la r´egion ON se base sur la position connue de G349.7+0.2. Un total de trois essais est donc `a prendre en compte pour le calcul de la significativt´e r´eelle du signal qui s’´etablit `a σpost−trials = 6.6.

La figure 8.8 (gauche) montre la distribution spatiale des ´ev`enements ´echantillonn´es en anneaux concentriques par rapport `a la r´egion test. La droite verticale indique la coupure appliqu´ee pour s´electionner les ´ev`enements de la r´egion ON. On remarque que le fond, estim´e par le nombre d’´ev`enements OFF corrig´e par un gradient radial d’acceptance est correctement normalis´e (points noirs).

La figure 8.9 montre l’´evolution de la significativit´e du signal `a gauche et de l’exc`es `a droite, en fonction du nombre d’´ev`enements OFF pendant l’acquisition. L’exc`es d´ecrit tr`es bien une ´evolution lin´eaire tandis que la significativit´e suit une loi en σ ∝ ^√NOF F. Dans des conditions de prise de donn´ees similaires d’une observation `a une autre, la significativit´e du signal doit suivre une loi en σ ∝<sup>√</sup>t (voir section3.4.6). Dans le cas de G349.7+0.2 les conditions d’observation varient beaucoup (voir figure 8.6). Repr´esenter cette ´evolution en fonction du nombre d’´ev`enements OFF permet de soustraire les variations d’acceptance dans l’´evolution de

) 2 (deg 2 θ 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 Events 0 20 40 60 80 100 120 140 160 H.E.S.S. G349.7+0.2 113.0 live hours =33.04) α ON=704 OFF=17695 ( =6.8 S/B=0.31 σ , γ 168.4

Figure 8.8 – Gauche : Distribution spatiale des ´ev`enements conserv´es apr`es coupures. Les ´ev`enements sont ´echantillonn´es en anneaux concentriques autour de la position test´ee. La barre verticale en pointill´es montre la coupure appliqu´ee par la d´efinition de la r´egion ON. Les points noirs repr´esentent l’estimation du niveau de fond.

la significativit´e. Cela n´ecessite cependant de faire l’hypoth`ese que les variations d’acceptance du fond en fonction du d´ecalage de point´e est la mˆeme pour les γ et le fond. Au premier ordre cette hypoth`ese se v´erifie dans toute les analyses de H.E.S.S.. C’est ´egalement le cas pour l’´etude de cette source, la figure 8.7 compare le gradient d’acceptance spatiale des ´ev`enements hadron et γ. Ces deux cartes sont tr`es similaires, cette hypoth`ese est donc justifi´ee. L’´evolution de σ ∝^√N_{OF F} est donc ce qui est attendu pour une source de rayons γ.

nOFF 0 100 200 300 400 500 Significance -1 0 1 2 3 4 5 6 7 nOFF 0 100 200 300 400 500 Excess -20 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

Figure 8.9 – Courbes d’´evolution de la significativit´e du signal (gauche) et de l’exc`es (droite) de la r´egion ON en fonction du nombre d’´ev`enements OFF. Les barres d’erreurs noires sont calcul´ees pour chaque observation. Un ajustement avec l’´evolution attendue pour un signal r´eel est indiqu´e en tirets rouges.

La figure 8.10 montre la distribution spatiale de la significativit´e de l’exc`es dans chaque pixel. Elle a ´et´e produite avec une taille de pixels de 0.02◦. Un rayon de sur´echantillonnage de l’exc`es de 0.06◦

montre la significativit´e de l’exc`es dans le champ de vue, tous les pixels appartenant `a une r´egion d’exclusion d´efinie pr´ealablement `a l’analyse ont ´et´e mis `a la valeur 0. L’histogramme de droite repr´esente la distribution de cette cartes. La distribution de la significativit´e de l’exc`es en dehors des r´egions d’exclusion suit une loi normale centr´ee r´eduite (moyenne∼0 et largeur∼1). Cette distribution est attendue pour des fluctuations statistiques de l’hypoth`ese nulle. De plus la carte ne montre pas de motif spatial particulier. Les fluctuations positives et n´egatives sont r´eparties de fa¸con al´eatoire. Ces diagnostics montrent qu’aucun effet syst´ematique non pris en compte dans l’analyse n’est dominant.

σ -6 -4 -2 0 2 4 6 σ dN /d 10 2 10 3 10 G349.7+0.2 Mean = -0.04644 = 1.043187 σ

Figure 8.10 – Gauche : Carte de significativit´e de l’exc`es sur´echantillonn´ee avec un rayon de 0.06◦. Les pixels inclus dans les r´egions d’exclusion ont une valeur fix´ee `a 0. Droite : Distribution de la significativit´e sur toute la carte (noire), en dehors des r´egions d’exclusion (rouge). Un ajustement gaussien est appliqu´e sur la courbe rouge. Les r´esultats sont indiqu´es dans la l´egende.

La figure 8.11 montre la carte d’exc`es agrandie autour de la r´egion ON. Cette carte est sur´echantillonn´ee avec un rayon de 0.06◦. Le cercle blanc repr´esente la r´egion ON utilis´ee pour l’analyse. L’´emission γ est centr´ee autour de la position test´ee, et son ´etalement correspond `a une source ponctuelle.

L’exc`es observ´e en direction de la r´egion test´ee montre une significativit´e de 6.6 σ apr`es correction du nombre d’essais, son ´evolution en fonction du temps correspond `a ce qui est attendu pour un signal r´eel, l’analyse ne montre aucun effet syst´ematique non contrˆol´e, donc la d´etection de rayons γ de tr`es haute ´energie en direction de G349.7+0.2 par H.E.S.S. est ´etablie. L’annonce de cette d´ecouverte a ´et´e pr´esent´ee lors de la conf´erence International Cosmic Rays

Conference en 2013 [171].

Analyse spectrale

L’exc`es de rayon γ obtenu dans la r´egion ON est significatif, et la statistique est suffi-sante pour effectuer une analyse spectrale. Un mod`ele de loi de puissance est d’abord ajust´e sur les donn´ees par la m´ethode de «forward folding» d´ecrite en section 3.4.8. La figure 8.12

Right Ascension m 18 h 17 m 19 h 17 Declination 36' ° -37 30' ° -37 24' ° -37 18' ° -37 -50 0 50 100 150 G349.7+0.2 H.E.S.S.

Figure 8.11 – Carte d’exc`es observ´e par H.E.S.S. autour de G349.7+0.2. La carte est sur´echantillonn´ee avec un rayon de 0.06◦.

montre les r´esultats de l’ajustement spectral. Un indice spectral Γ = 2.88 ± 0.27 repr´esente le meilleur ajustement avec une normalisation `a 1 TeV Φ(1T eV ) = 2.3±0.510−13cm−2. s−1. TeV−1. L’´energie de d´ecorr´elation est 588 GeV. Le flux ´energ´etique au del`a du TeV re¸cu de la r´egion ON est de F_E(> 1T eV ) = 4 ± 1 × 10−13 TeV. cm−2. s−1. La qualit´e de l’ajustement obtenu est χ2/ndof = 60.5/63. Il a ´et´e r´ealis´e sur la gamme en ´energie s’´etendant de 216 GeV `a 84 TeV. Ce grand bras de levier, sur presque trois ordres de grandeur en ´energie, permet de sonder efficacement une d´eviation du spectre γ par rapport au mod`ele de loi de puissance.

Un ajustement avec une forme spectrale en loi de puissance avec coupure exponentielle a ´et´e test´e. La qualit´e de l’ajustement n’est pas significativement am´elior´ee.

Analyse Morphologique

Une analyse morphologique a ´et´e r´ealis´ee afin de d´eterminer pr´ecis´ement la position estim´ee de la source et de pouvoir l’associer `a des contre-parties vues dans d’autres longueurs d’onde.

L’ajustement d’une source ponctuelle convolu´ee `a la PSF a ´et´e r´ealis´e, les param`etres obte-nus sont les suivants : α_J2000 = 17h17m57s.8 ± 2s.0_stat± 1.3s _syst, δ_J2000 = −37◦26′39′′.6 ± 24′′.0_stat± 20′′.0syst. Un profil de vraisemblance a ´et´e r´ealis´e pour chaque param`etre afin de d´eterminer les r´egions de confiance des param`etres de l’ajustement. Elles seront utilis´ees plus tard pour la recherche de contre-parties.

Une morphologie de source gaussienne a ´egalement ´et´e test´ee. La qualit´e de l’ajustement n’est pas am´elior´ee significativement par rapport `a une source ponctuelle. De plus l’extension de la gaussienne ajust´ee est statistiquement compatible avec 0◦.

True energy (TeV) 1 10 10² ) -1 T e V -1 s -2 Flux (cm -19 10 -18 10 -17 10 -16 10 -15 10 -14 10 -13 10 -12 10 -11 10 -10 10 G349.7+0.2 0.27 ± = 2.88 Γ 4.941e-14 ± Norm = 2.258e-13 = 0.216 min E = 84.01 max E G349.7+0.2 0.27 ± = 2.88 Γ 4.941e-14 ± Norm = 2.258e-13 = 0.216 min E = 84.01 max E

Figure 8.12 – Spectre de G349.7+0.2 obtenu par H.E.S.S.. Le papillon bleu repr´esente le meilleur ajustement avec ses incertitudes statistiques, obtenu par la m´ethode de forward

fol-ding. Les points ont ´et´e calcul´es apr`es l’ajustement et contiennent un exc`es de signal avec une significativit´e d’au moins 3σ. Les limites sup´erieures ont ´et´e calcul´ees avec un niveau de confiance de 99%.