Studying early Gamma Ray Burst stages with MAGIC and REM telescopes

Gamma-ray bursts (GRBs) are an enigmatic phenomenon whose physics and origins are still to be fully understood. Broadband observations of gamma-ray burst afterglows can in principle be used to constrain fundamental physical parameters of the explosion. One major aspect of successful GRB research is how fast the telescope can point the GRB region. The aim of my work was to investigate the early phases of GRB phenomenon at different wavelenghts to better understand their physical properties, also in view of the future perspectives offered by the new instruments in detecting the high energy photons from GRBs. In order to investigate high energy and infrared emission from GRBs I used data collected by the ground-based MAGIC Telescopes (at the high energies) and the REM telescope (in the near infrared band). Both instruments have been built in order to allow a rapid repositioning (tens of seconds). Thanks to the project of this thesis the first REM gamma -ray burst afterglow catalog will be avaiable soon. The catalogue will contain detailed burst positional, temporal and photometric information. Moreover, using the observed infrared properties obtained by the fitting analysis of those burst with an extended time-coverage, I put some constrains on fundamental fireball parameters that can be used to discriminate between different mechanism at work in GRBs. In particular I investigated the Synchrotron Self Compton (SSC) emission mechanism leading to the conclusion that thanks to the new incoming instruments, in particular with MAGIC and its new hardware upgrade, the detection of SSC emission from an energetic and low redshift burst is possible. In the first part of this thesis, after an introduction about the GRB phenomenon (chapter 1), I will introduce the MAGIC telescope (chapter 2) and I will present two interesting burst followed up by MAGIC for which I explored the GeV gamma-ray emission in the context of Synchrotron Self Compton mechanism (SSC): GRB 080430 and GRB 090102 (chapter 3). The second part is dedicated to infrared observations of GRBs performed by REM telescope (chapter 4). For the first time all the GRBs observed by REM, since the beginning of its operations up to the end of 2009, are analyzed (chapter 5). For some well sampled burst it was possible to evaluate the epoch of the afterglow peaks and thereby constrain the Lorentz factor and the e fireball parameters. These parameters obtained were used to derive meaningful prediction for the expected SSC flux at higher energy. Finally those predictions were compared with the MAGIC results.

I Gamma Ray Burst (GRB) sono fenomeni complessi la cui origine ed i cui meccanismi fisici sono ancora oggetto di dibattito scientifico. Osservazioni multifrequenza dell’afterglow dei Gamma Ray Burst possono essere utilizzate per porre dei vincoli ai parametri fisici fondamentali dell’esplosione. Uno dei maggiori aspetti del successo nella ricerca dei GRB ´e dato dalla rapidit´a con cui il telescopio ´e in grado di puntare la regione del GRB. Lo scopo del mio lavoro ´e stato quello di studiare le prime fasi dei Gamma Ray Burst a differenti lunghezze d’onda per capirne meglio le propriet´a fisiche, anche in vista delle prospettive future nella rivelazione di fotoni ad alta energia dai GRB offerte dalla nuova generazione di strumenti. Al fine di studiare l’emissione ad alta energia e nelle bande infrarosse ho utilizzato dati collezionati dai telescopi terrestri MAGIC (per le alte energie) e REM (nelle banda infrarosse). Entrambi questi strumenti sono stati costruiti con l’intento di permettere un rapido riposizionamento (nell’ ordine delle decine di secondi) nel caso di un GRB. Grazie al progetto di questa tesi il primo catalogo dei GRB rivelati da REM sar´a presto disponibile. Il catalogo conterr´a dettagliate informazioni sulle posizioni, sulle propriet´a temporali e fotometriche di tutti gli oggetti. Utilizzando le propriet´a delle curve di luce nelle bande infrarosse, ottenute attraverso un’analisi di fitting dei burst con un’estesa copertura temporale, ho posto dei limiti su alcuni parametri fondamentali della fireball che possono essere utilizzati per discriminare tra diversi meccanismi al lavoro nei GRB. In particolare ho studiato in dettaglio il meccanismo di emissione da Synchrotron Self Compton (SSC) concludendo che grazie ai nuovi strumenti, in particolare con MAGIC ed i suoi recenti miglioramenti tecnologici, la rivelazione di fotoni emessi per SSC ´e possibile nel caso di un burst sufficientemente energetico ed a basso redshift. Nella prima parte di questa tesi, dopo un’introduzione sui Gamma Ray Burst (capitolo 1), introdurr´o il telescopio MAGIC (capitolo 2) e presenter´o due burst interessanti seguiti da MAGIC per i quali ho studiato l’emissione gamma nel GeV nel contesto del meccanismo di Synchrotron Self Compton: GRB 080430 e GRB 090102 (capitolo 3). La seconda parte ´e dedicata all’osservazione dei Gamma Ray Burst nelle bande infrarosse effettuata con il telescopio REM (capitolo 4). Per la prima volta sono stati analizzati tutti i GRB osservati da REM dall’inizio delle operazioni fino alla fine del 2009 (capitolo 5). Per alcuni burst ben campionati ´e stato possibile stimare l’epoca del picco dell’afterglow e quindi determinare il fattore di Lorentz ed il parametro e della fireball. Questi parametri sono stati utilizzati per ottenere una stima precisa del flusso atteso alle alte energie dal meccanismo di SSC. Infine queste previsioni teoriche sono state confrontate con i risultati di MAGIC.