Critical evaluation of the methods used in extragalactic background light studies with IACTs and application to observations with MAGIC and LST-1

Abstract

Fins i tot en les zones més remotes de l’espai, l’univers no és mai completament fosc. La radiació electromagnètica que s’estén des de l’infraroig fins a l’ultraviolat rep el nom de Llum Extragalàctica de Fons (EBL, per les sigles en anglès d’Extragalactic Background Light). L’EBL és el segon camp de fotons més intens de l’univers, només superat pel fons de radiació de microones (CMB), i es creu que prové majoritàriament de la llum emesa per estrelles i reemesa per pols al llarg de la història còsmica. Per això, mesurar l’EBL ens dona informació clau sobre la formació estel·lar i l’evolució galàctica.

Tot i així, les mesures directes són molt complicades a causa de la contaminació per llum local. Una alternativa és utilitzar la interacció entre fotons de molt alta energia (VHE, >100 GeV) i fotons de l’EBL, que produeix una atenuació observable en l’espectre de raigs gamma de fonts llunyanes. Aquest mètode ha permès estimar de manera independent la constant de Hubble i ha motivat especulacions sobre nova física —com axion-like particles, matèria fosca o violacions de la invariància de Lorentz— quan s’han detectat discrepàncies entre observacions i models.

Aquesta tesi analitza la solidesa de les restriccions a l’EBL obtingudes amb raigs gamma, posant especial atenció a les assumpcions sobre l’espectre intrínsec de les fonts, les incerteses observacionals i la validesa de les eines d’anàlisi utilitzades fins ara. Mitjançant simulacions Monte Carlo i dades històriques de MAGIC, s’estudien dos aspectes centrals. El primer és l’avaluació de la validesa d’eines estadístiques com el teorema de Wilks en l’anàlisi de dades obtingudes amb Telescopis Cherenkov Atmosfèrics d’Imatge (IACT), especialment davant d’errors sistemàtics dependents de l’energia, sovint ignorats. El segon és l’impacte de les assumpcions sobre l’espectre VHE en les restriccions inferides de l’EBL.

Els resultats mostren que les restriccions a l’EBL depenen fortament d’aquestes assumpcions, i que les incerteses, sobretot els límits inferiors, podrien haver estat subestimades en molts estudis. Per això, aquesta tesi proposa millores per augmentar la robustesa estadística d’aquestes restriccions, especialment de cara a futures observacions amb el Cherenkov Telescope Array Observatory (CTAO).

A més, he participat en el desenvolupament i prova del Barcelona Raman LIDAR pathfinder (pBRL), una eina de monitoratge atmosfèric pensada per a CTAO. Una caracterització precisa de l’atmosfera és essencial per reduir les incerteses sistemàtiques en els IACTs, especialment en una era on les incerteses estadístiques es veuran molt reduïdes.

En resum, aquesta tesi busca reforçar les bases metodològiques dels estudis sobre l’EBL, contribuint a mesures més fiables i precises. En revisar críticament suposicions prèvies i afrontar les fonts d’incertesa, espero contribuir a una millor comprensió d’aquesta llum de fons que traça l’evolució de l’univers.

Incluso en las regiones más remotas del espacio, el universo nunca está completamente oscuro. La radiación electromagnética que lo llena en longitudes de onda del infrarrojo al ultravioleta se conoce como Fondo de Luz Extragaláctica (EBL, por sus siglas en inglés). En términos de densidad energética, el EBL es el segundo campo de fotones más intenso del universo, solo superado por el fondo cósmico de microondas (CMB). Se cree que proviene en su mayor parte de la luz generada por estrellas a lo largo de la historia cósmica, así como por el polvo que la absorbe y reemite a longitudes de onda mayores. Medir el EBL aporta información clave sobre la evolución de galaxias y la historia de formación estelar. Sin embargo, las medidas directas son extremadamente complicadas debido a la contaminación por luz local.

Una alternativa es analizar cómo los fotones de muy alta energía (VHE, $>$100 GeV) provenientes de fuentes lejanas interactúan con los del EBL, lo que produce una atenuación observable en sus espectros gamma. Este método ha permitido estimaciones independientes de la constante de Hubble. Además, algunas discrepancias entre estas restricciones y los modelos o medidas de otro tipo han sido interpretadas, en ocasiones, como posibles señales de nueva física, desde axion-like particles hasta materia oscura o violación de la invariancia de Lorentz. Comprender el EBL y cómo se mide resulta, por tanto, fundamental.

Esta tesis examina la solidez de las restricciones al EBL derivadas de observaciones gamma, centrándose en tres aspectos clave: las suposiciones sobre el espectro intrínseco de las fuentes, las incertidumbres experimentales y la validez de las herramientas de análisis. Para ello, se emplean simulaciones Monte Carlo y datos históricos de MAGIC.

El primer eje del estudio evalúa la aplicabilidad del teorema de Wilks y otras herramientas estadísticas al análisis de datos de telescopios Cherenkov (IACT), prestando atención a errores sistemáticos dependientes de la energía, que en gran parte han sido ignorados en la literatura. El segundo eje analiza cómo las suposiciones sobre el espectro intrínseco de las fuentes afectan directamente a las restricciones obtenidas sobre el EBL.

Los resultados muestran que las suposiciones espectrales influyen significativamente en los límites derivados del EBL, y que muchas estimaciones podrían haber subestimado las incertidumbres, especialmente los límites inferiores. Esta tesis propone estrategias para mejorar la robustez de estos análisis y garantizar una cobertura estadística adecuada, algo esencial de cara a los futuros telescopios como el Cherenkov Telescope Array Observatory (CTAO).

Además, he contribuido al desarrollo del Barcelona Raman LIDAR pathfinder (pBRL), un sistema de monitorización atmosférica para CTAO. Dado que una caracterización precisa de la atmósfera es clave para reducir los errores sistemáticos en observaciones con IACTs, esta herramienta será fundamental para maximizar el potencial científico de la próxima generación de telescopios, en la que las incertidumbres estadísticas serán mucho menores que en los instrumentos actuales.

En resumen, el objetivo de esta tesis es reforzar las bases metodológicas para el estudio del EBL, facilitando mediciones más precisas y fiables en la era de los observatorios gamma de nueva generación. Al revisar críticamente las suposiciones existentes y abordar las fuentes de incertidumbre sistemática, se busca contribuir a una comprensión más robusta de la luz cósmica que refleja la historia de formación y evolución de las estructuras en el universo.

Even in the deepest voids of space, as far as possible from any source of light, the universe is not truly dark. In the wavelength range from the infrared to the ultraviolet bands, the electromagnetic radiation that fills the universe is known as the Extragalactic Background Light (EBL). The EBL is, in terms of energy density, the second most intense photon field in the universe, surpassed only by the cosmic microwave background (CMB). The bulk of the EBL is believed to be the accumulated light produced through the history of the universe by stars, and by dust that absorbs starlight and re-emits it at longer wavelengths. Its measurement provides valuable information about star formation history and galaxy evolution, but direct measurements are difficult due to bright foregrounds from local sources. An alternative indirect method to probe the EBL uses the $\gamma\gamma$ interaction between Very-High-Energy (VHE, $>$ 100~GeV) photons and EBL photons, which leaves an observable imprint in the gamma-ray spectra of sources at cosmological distances. Measurements through this method have also provided an independent estimate of the Hubble constant. Furthermore, purported discrepancies between gamma-ray-based EBL constraints and expectations from models and other types of measurements have occasionally been presented as evidence for physics beyond the standard model: from axion-like particles to dark matter and violation of Lorentz invariance. For these reasons, it is essential to understand the EBL and the details of the measurements and the analyses from which these results are derived.

This thesis focuses on examining the robustness of EBL constraints derived from gamma-ray data, with a particular focus on the assumptions made in previous studies about the intrinsic source spectra, the uncertainties of the observations, and the validity of the analysis tools employed. Using Monte Carlo simulations and archival MAGIC data, I evaluate the two central elements of this work. The first one is to test the validity of the statistical tools used, such as Wilks' theorem, in the analysis of data obtained with Imaging Atmospheric Cherenkov Telescopes (IACTs), focusing on the effect of potential energy-dependent systematic errors, which seem to have been ignored in the literature so far. The second one is to study the influence of spectral assumptions (concerning the intrinsic VHE spectra) on the derived EBL constraints. Alternative approaches, with less demanding assumptions on the source spectra, are proposed to increase the robustness of the methods. The results show that the \gls{ebl} constraints are very dependent on the chosen spectral assumptions, and that many of the results in the literature may have underestimated the uncertainties, especially on the lower constraints. This work presents proposals to improve the robustness of the EBL constraints and to ensure they have the desired statistical coverage. I expect these developments will be particularly relevant for the analysis of the observations with next-generation facilities such as the Cherenkov Telescope Array Observatory (CTAO).

In parallel, I have contributed to the development and testing of the Barcelona Raman LIDAR pathfinder (pBRL), an atmospheric monitoring tool being developed for the CTAO. Accurate atmospheric characterization is crucial to reduce systematic uncertainties in IACT data, a key goal for next-generation instruments in which statistical uncertainties will be strongly reduced compared to current facilities.

In conclusion, this thesis aims to advance the methodological foundation for EBL studies, paving the way for more accurate and reliable measurements in the era of next-generation gamma-ray observatories. By critically reassessing long-standing assumptions and addressing systematic uncertainties, it intends to contribute to a deeper and more robust understanding of the cosmic light that traces the history of structure formation in the universe.