Diffuse γ-Ray Emission from the Galactic Centre with H.E.S.S.

Language
en
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2023-03-27
Issue Year
2023
Authors
Wong, Yu Wun
Editor
Abstract

The High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.) experiment uses the Imaging Atmospheric Cherenkov Technique (IACT) to study very-high-energy (VHE) gamma-ray astrophysics. Its southern location provides the best opportunity to observe the Galactic Centre region. The Galactic Centre hosts many violent astrophysical objects and molecular gases. The diffuse TeV gamma-ray emission in the Central Molecular Zone (CMZ) reveals the existence of powerful cosmic-ray (CR) accelerator(s) in the Galactic Centre. In particular, various studies postulated a PeV accelerator (PeVatron) continuously injecting CR protons to the ambience, resulting in a complex gamma-ray morphology and absence of cutoff signature in the diffuse gamma-ray spectrum. This study, using 11 years of H.E.S.S. data and an advanced 3D maximum-likelihood analysis method, re-establishes and constrains the diffuse gamma-ray emission nature at 0.4 - 100 TeV. CR propagation is modelled and diffuse emission templates for the analysis are built accordingly, by assuming a hadronic origin in the Galactic Centre. This study unveils a CR energy cutoff at couple hundreds of TeV, opposing the postulation of a PeVatron existing in the Galactic Centre. Apart from the scenario of a continuously CR injecting source, an impulsively injecting source cannot be ruled out.

Abstract

Das High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.) basierend auf der Imaging Atmospheric Cherenkov Technique (IACT) untersucht die Astrophysik der sehr hoch energetischen Gamma-Strahlung. Die Lage in der südlichen Hemisphäre bietet die besten Voraussetzungen um die Region des Galaktischen Zentrums zu beobachten. Das Galaktische Zentrum beherbergt viele emissionsstarke astrophysikalische Objekte und eine starke Anhäufung molekularen Gases. Die diffuse TeV Gamma-Strahlung in der zentralen molekularen Zone (CMZ) weist auf die Existenz leistungsstarker Beschleuniger für kosmische Strahlung (CR) im Galaktischen Zentrum hin. In unterschiedlichen Studien wurde die Existenz eines PeV-Beschleunigers (PeVatron) postuliert, der kontinuierlich CR-Protonen in seine Umgebung ausstößt, was zu einer komplexen Gamma-Strahlungsmorphologie und dem Fehlen einer Cutoff-Signatur im diffusen Gamma-Strahlenspektrum führt. In dieser Studie wird mit H.E.S.S.-Daten, aufgenommen innerhalb von 11 Jahren, und der fortschrittlichen 3D-Maximum-Likelihood-Analysemethode die Natur der diffusen Gamma-Strahlung im Energiebereich 0,4 - 100 TeV neu bestimmt und eingegrenzt. Die Propagation der CRs wird modelliert und Templates für die zu erwartende diffuse Gamma-Strahlung werden unter der Annahme eines hadronischen Ursprungs im galaktischen Zentrum erstellt. Diese Studie enthüllt eine CR-Energieschwelle bei einigen Hundert TeV, die der Annahme eines PeVatrons im Galaktischen Zentrum widerspricht. Neben dem Szenario einer kontinuierlich CRs injizierenden Quelle kann auch eine impulsiv injizierende Quelle nicht ausgeschlossen werden.

DOI
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