Information Field Theory with INTEGRAL/SPI data

Ghaempanah, Mahsa (2017): Information Field Theory with INTEGRAL/SPI data. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik

Abstract

Diese Arbeit beschäftigt sich mit bildgebenden Verfahren auf dem Gebiet der Gammastrahlungs-Astrophysik. Bestehende Methoden der Bildgebung werden weiter entwickelt um eine neue und hoffentlich bessere Himmelskarte der Emission der galaktischen Positronenannihilation 511 keV zu generieren. Der dabei entwickelte Algorithmus basiert auf der Informationsfeldtheorie (IFT). IFT erlaubt neben der alleinigen Analyse der Daten auch das Nutzen von A-priori-Information über das Signal in Form einer A-priori-Wahrscheinlichkeit. Beide, die A-priori-Information und die Information der Messdaten, werden in Form von Wahrscheinlichkeitsverteilungen formuliert und zu einer A-posteriori-Wahrscheinlichkeitsverteilung zusammengefasst. In dieser Arbeit benutzen wir zwei solcher Algorithmen, den Wiener-Filter (WF) und D3 PO, um die gemessenen Daten des SPI Spektrometers des INTEGRAL-Satelitten zu analysieren. Schon während der Entwicklung dieser Methoden werden diese kontinuierlich an beispielhaften Datensätzen getestet. Dabei konnte gezeigt werden, dass die entwickelte Technik die 511keV Linie der Emission der galaktischen Positronenannihilations trotz eines starken Untergrunds an Detektorereignissen auflösen kann. Weiterhin werden beide Verfahren, WF und D3 PO, auf den gesamten elfjährigen Datensatz von SPI in einem Energieband von 510.5 511 keV angewendet. Diese erlauben die Rekonstruktion der Emission des gesamten Himmels. Dabei wird die Morphologie der galaktischen Emission aufgrund von Positronenannihilation bei 511 keV enthüllt. Die rekonstruierte Karte zeigt, dass die Emission am stärksten innerhalb einiger Grad rund um das galaktische Zentrum ist. Die logarithmische Darstellung dieser Karte deutet auf einen geringen Beitrag der galaktischen Scheibe hin. Durch Bildgebung mittels eines gröeren Energiebandes, von 500 bis 520 keV, können wir diese Entdeckungen bestätigen. Die Ergebnisse des D3 PO-Algorithmus zeigen eine starke Emission innerhalb des galaktischen Zentrums und nur ein sehr schwache aus der galaktischen Scheibe, welche in Richtung der galaktischen Ebene ausgedehnter ist verglichen mit der rekonstruierten Emission innerhalb des Energieband von 510.5 bis 511 keV. Sowohl während der Tests mit simulierten Datensätzen als auch mit echten SPI Daten wurde zur Modellierung von Untergrundereignissen das Modell von Siegert et al. (2016) benutzt. Im abschlieenden Teil dieser Arbeit wurde durch einen modifizierten D3 PO Algorithmus simultan die zeitliche Veränderung des Untergrundes des SPI Detektors sowie die Himmelskarte bei 511 keV Emission rekonstruiert, ohne dabei zeitliche Entwicklung von Siegerts Model zu nutzen. Dabei konnte der Uberschuss an positronenannihilations Emission aus dem galaktischen Zentrum bestätigt werden.

Abstract

This thesis addresses imaging techniques in the domain of γ-ray astronomy. We advance imaging to provide a new and hopefully improved sky map of the Galactic positron annihilation emission at 511 keV. To this end, we derive our algorithm within the probabilistic language of Information Field Theory (IFT). Within the IFT framework, the prior knowledge on the signal is added to the measurement information. Both, our previous knowledge and the information from our measurement, are formulated as probability distributions and they are merged to a posterior probability distribution. In this thesis, we use two algorithms that result from such information imaging, the Wiener Filter and D3PO to process the data from the SPI spectrometer on board of the Space telescope INTEGRAL. In the process of building up our data analysis, we perform a series of mock data simulations to test the performance of methods. Results from the simulations show that the technique is able to infer the 511 keV positron annihilation emission of the Galaxy, despite this weak signal is overlayed by a dominant instrumental background. We further apply both imaging methods to the 11 years of all sky data from SPI within energy range of 510.5-511 keV. We uncover the morphology of the Galactic positron annihilation emission at 511 keV. The reconstructed map shows the emission is brightest in a region of a few degrees around the Galactic center. However a logarithmic scaled version of the map reveals a faint contribution of the Galactic disk. We confirm these findings by using in a wider range of energies, from 500 to 520 keV. The result by D3 PO shows that the emission is intense in the Galactic center and has a faint Galactic disk contribution, which is more extended toward the plane compared to the emission reconstructed only from the energy range of 510.5-511 keV. In all mock and real reconstructions performed so far, a background model by Siegert et al. (2016) is used. In the final work of this thesis, through the use of a modified version of the D3 PO, we reconstruct simultaneously the time component of the SPI background and the sky map of 511 keV emission, independently of the time evolution of the Siegert’s background model. We therby confirm the presence of the Galactic center positron excess emission.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Keywords: ITEGRAL, SPI, positron annihilation, gamma- ray emission, Information Field Theory, Bayesian's theorem
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
• Fakultäten: Fakultät für Physik
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 15. März 2017
• 1. Bericht­erstatter:in: Enßlin, Torsten