Identification of TeV Gamma-ray sources through multi-wavelength studies

Identifikation von TeV-Gammastrahlungsquellen durch Studien in einem breiten Wellenlängenbereich

  • The aim of this work is to demonstrate the powerful synergies that arise from combining data from various wavelength regimes to identify sources of very-high-energy (VHE, E>100 GeV) gamma-rays detected by H.E.S.S. After the underlying radiation mechanisms as well as the observatories used for the analyses are introduced, this work focuses on two very different kinds of astrophysical objects. In the first part of this work, multi-wavelength observations of the surroundings of the previously unidentified VHE gamma-ray source HESS J1626-490 are presented. This object is particularly interesting as it could not be associated to any obvious source of highly energetic radiation, such as a powerfulThe aim of this work is to demonstrate the powerful synergies that arise from combining data from various wavelength regimes to identify sources of very-high-energy (VHE, E>100 GeV) gamma-rays detected by H.E.S.S. After the underlying radiation mechanisms as well as the observatories used for the analyses are introduced, this work focuses on two very different kinds of astrophysical objects. In the first part of this work, multi-wavelength observations of the surroundings of the previously unidentified VHE gamma-ray source HESS J1626-490 are presented. This object is particularly interesting as it could not be associated to any obvious source of highly energetic radiation, such as a powerful pulsar or a young supernova remnant. A detailed analysis of data of an archival XMM-Newton observation does not yield any X-ray counterpart that can be associated with HESS J1626-490. The derived upper limit for radiation in the 1--10 keV band makes it unlikely that the observed VHE gamma-ray signal is purely based on leptonic processes. Observations of CO molecular line emission performed with the NANTEN telescope show the presence of a molecular cloud in good morphological agreement with the VHE gamma-ray signal. Furthermore, based on HI data from the Southern Galactic Plane Survey the shell-type supernova remnant SNR G335.2+00.1 could be identified as a potential source of hadronic cosmic rays that might illuminate the molecular cloud. The application of a detailed model for cosmic-ray diffusion and interaction confirms that this SNR could indeed provide a sufficiently large cosmic-ray density at the location of the molecular cloud to give rise to the observed VHE gamma-ray flux via the decay of neutral pions. The second part of this thesis focuses on Globular clusters (GCs). These gravitationally bound systems of highly evolved stellar populations feature extremely dense cores with high stellar encounter rates. According to several theoretical models, the large abundance of millisecond pulsars (MSPs) in GCs could give rise to gamma-ray emission in the MeV to TeV regime. Particularly for the highest energies, the gamma-ray flux is expected to come from inverse Compton (IC) up-scattering of low-energy photons by relativistic electrons. These electrons could be accelerated in the magnetospheres of individual MSPs or in the shocks of colliding pulsar wind nebulae. Such a scenario would also predict synchrotron emission in the X-ray band produced by the same population of leptons. In this work, data from VHE gamma-ray and X-ray observations of several Galactic GCs were searched for the presence of such signals. The GC Terzan 5 stands out as the only cluster where significant excess emission could be detected in both energy bands. Even though synchrotron/IC scenarios for the observed X-ray and gamma-ray signals are viable, also different origins of the VHE gamma-ray emission, such as a recent type Ia supernova or a short gamma-ray burst, are discussed. Most likely, only future observations with more sensitive VHE gamma-ray observatories as well as more detailed multi-wavelength studies will yield the decisive clues to explore the non-thermal processes at work in GCs.show moreshow less
  • Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es aufzuzeigen, welcher Nutzen sich daraus ergibt Informationen aus verschiedenen Wellenlängenbereichen zusammenzutragen, um Quellen höchstenergetischer Gammastrahlung zu untersuchen. Zunächst werden sowohl die zugrundeliegenden nicht-thermischen Strahlungsmechanismen, als auch die Observatorien vorgestellt, die die Daten für diese Arbeit geliefert haben. Der Hauptteil dieser Dissertation beschäftigt sich mit zwei sehr verschiedenen Klassen astrophysikalischer Objekte. Im Folgenden sind die Ergebnisse der Beobachtungen kurz zusammengefasst. Die TeV-Gammastrahlungsquelle HESS J1626-490, die mit dem H.E.S.S. Teleskopsystem entdeckt wurde, konnte bisher nichDas Ziel der vorliegenden Arbeit ist es aufzuzeigen, welcher Nutzen sich daraus ergibt Informationen aus verschiedenen Wellenlängenbereichen zusammenzutragen, um Quellen höchstenergetischer Gammastrahlung zu untersuchen. Zunächst werden sowohl die zugrundeliegenden nicht-thermischen Strahlungsmechanismen, als auch die Observatorien vorgestellt, die die Daten für diese Arbeit geliefert haben. Der Hauptteil dieser Dissertation beschäftigt sich mit zwei sehr verschiedenen Klassen astrophysikalischer Objekte. Im Folgenden sind die Ergebnisse der Beobachtungen kurz zusammengefasst. Die TeV-Gammastrahlungsquelle HESS J1626-490, die mit dem H.E.S.S. Teleskopsystem entdeckt wurde, konnte bisher nicht mit einem bekannten Quelltyp höchstenergetischer Gammastrahlung assoziiert werden, wie z.B. einem energiereichen Pulsar oder einem Supernovaüberrest. Die Auswertung von Daten, die mit dem Röntgenteleskop XMM-Newton aufgenommen wurden, zeigt, dass keine signifikante Emission im Energiebereich von 1-10 keV mit HESS J1626-490 in Verbindung gebracht werden kann. Die abgeleitete obere Grenze für den möglichen Röntgenfluss schließt rein leptonische Prozesse zur Erzeugung der beobachteten Gammastrahlung nahezu aus. Eine Analyse von Radio-Daten beim Frequenzbreich des molekularen Rotationsübergangs von CO lässt auf eine Molkekülwolke schließen, die sehr gut mit dem Emissionsgebiet der TeV-Gammastrahlung übereinstimmt. Durch HI-Beobachtungen und durch die Auswertung eines physikalischen Modells zur Diffusion und Interaktion von hochenergetischer kosmischer Strahlung lässt sich ein nahe gelegener schalenartiger Supernovaüberrest identifizieren, der eine ausreichende Dichte an relativistischen Protonen am Ort der Molekülwolke liefern könnte, um den gemessenen Fluss an TeV-Gammastrahlung durch den Zerfall neutraler Pionen zu erklären. Der zweite Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit Kugelsternhaufen (KHn). Diese gebundenen Systeme aus weit entwickelten Sternen weisen sehr dichte Kerne auf, in denen die Rate für nahe Begegnungen zweier Objekte sehr hoch ist. Aktuellen Modellen zufolge könnten die zahlreichen Millisekundenpulsare (MSPe) für Gammastrahlung mit Energien von 1 MeV bis 10 TeV verantwortlich sein. Insbesondere die Photonen höchster Energien könnten durch inverse Compton-Streuung (IC) von relativistischen Elektronen an niederenergetischen Photonen entstehen. Die hochenergetischen Elektronen könnten in den Magnetosphären einzelner MSPe oder auch in kollidierenden Pulsarwindnebeln beschleunigt werden. In einem solchen Szenario wäre auch Synchrotronstrahlung im Röntgenbereich zu erwarten, die von der selben Population relativistischer Leptonen herrührt. In dieser Arbeit wurden Daten aus Beobachtungen von Gammastrahlung als auch von Röntgenstrahlung einer ganzen Reihe Galaktischer KHn nach entsprechenden Signalen untersucht. Terzan 5 ist der einzige KHn, bei dem in beiden Energiebereichen signifikante Emission entdeckt wurde. Neben alternativen Szenarien für die Erzeugung der TeV-Gammastrahlung, wie ein Typ-Ia-Supernovaüberrest oder ein kurzer Gammastrahlungsausbruch, ist auch ein Synchrotron-IC Modell zur Erklärung der gemessenen Röntgen- und Gammastrahlung in der Lage. Möglicherweise aber wird der verantwortliche Mechanismus erst durch Beobachtungen künftiger Gammastrahlungs-Obervatorien und detailliertere Multi-Wellenlängen Studien aufgeklärt werden können.show moreshow less

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Metadaten
Author:Peter Eger
URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus-27355
Advisor:Christian Stegmann
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2011
Publishing Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Granting Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Naturwissenschaftliche Fakultät
Date of final exam:2011/07/20
Release Date:2011/07/28
Tag:Diffusion kosmischer Strahlung
cosmic rays; gamma rays; globular clusters; molecular clouds; supernova remnants
SWD-Keyword:Gammastrahlung; Infrarot; Kosmische Strahlung; Kugelhaufen; Molekülwolke; Radioastronomie; Röntgenstrahlung; Sternentstehungsgebiet; Supernova
Institutes:Naturwissenschaftliche Fakultät / Naturwissenschaftliche Fakultät -ohne weitere Spezifikation-
Dewey Decimal Classification:Naturwissenschaften und Mathematik / Naturwissenschaften / Naturwissenschaften und Mathematik
PACS-Classification:90.00.00 GEOPHYSICS, ASTRONOMY, AND ASTROPHYSICS (for more detailed headings, see the Geophysics Appendix) / 95.00.00 Fundamental astronomy and astrophysics; instrumentation, techniques, and astronomical observations / 95.85.-e Astronomical observations (additional primary heading(s) must be chosen with these entries to represent the astronomical objects and/or properties studied) / 95.85.Pw gamma-ray
90.00.00 GEOPHYSICS, ASTRONOMY, AND ASTROPHYSICS (for more detailed headings, see the Geophysics Appendix) / 98.00.00 Stellar systems; interstellar medium; galactic and extragalactic objects and systems; the Universe / 98.20.-d Stellar clusters and associations / 98.20.Gm Globular clusters in the Milky Way
90.00.00 GEOPHYSICS, ASTRONOMY, AND ASTROPHYSICS (for more detailed headings, see the Geophysics Appendix) / 98.00.00 Stellar systems; interstellar medium; galactic and extragalactic objects and systems; the Universe / 98.38.-j Interstellar medium (ISM) and nebulae in Milky Way / 98.38.Mz Supernova remnants
90.00.00 GEOPHYSICS, ASTRONOMY, AND ASTROPHYSICS (for more detailed headings, see the Geophysics Appendix) / 98.00.00 Stellar systems; interstellar medium; galactic and extragalactic objects and systems; the Universe / 98.58.-w Interstellar medium (ISM) and nebulae in external galaxies / 98.58.Db Molecular clouds, H<sub>2</sub> clouds, dense clouds, and dark clouds
90.00.00 GEOPHYSICS, ASTRONOMY, AND ASTROPHYSICS (for more detailed headings, see the Geophysics Appendix) / 98.00.00 Stellar systems; interstellar medium; galactic and extragalactic objects and systems; the Universe / 98.70.-f Unidentified sources of radiation outside the Solar System / 98.70.Sa Cosmic rays (including sources, origin, acceleration, and interactions) (see also 26.40.+r Cosmic ray nucleosynthesis-in Nuclear astrophysics)
open_access (DINI-Set):open_access

$Rev: 13581 $