Simultaneous Modelling of the Morphological and Spectral Features of the Pulsar Wind Nebula HESS J1825-137 in TeV Gamma rays

Simultane Modellierung der morphologischen und spektralen Eigenschaften des Pulsarwindnebels HESS J1825-137 in TeV-Gammastrahlung

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:29-opus-43008
  • In the thesis at hand an in-depth study of the TeV gamma-ray source HESS J1825-137 is presented, which belongs to the pulsar wind nebulae source class. More specifically, HESS J1825-137 is one of the most prominent representatives of the so-called "evolved pulsar wind nebulae", which due to their advanced age have passed multiple evolutionary stages. In comparison to young pulsar wind nebulae, which usually appear blob-like and centre-filled in TeV gamma rays, the evolved TeV-nebulae often exhibit very peculiar forms of appearance: The emission regions are vastly extended and often asymmetric and the pulsar - which emits the particles that generate the TeV gamma rays - is located offset toIn the thesis at hand an in-depth study of the TeV gamma-ray source HESS J1825-137 is presented, which belongs to the pulsar wind nebulae source class. More specifically, HESS J1825-137 is one of the most prominent representatives of the so-called "evolved pulsar wind nebulae", which due to their advanced age have passed multiple evolutionary stages. In comparison to young pulsar wind nebulae, which usually appear blob-like and centre-filled in TeV gamma rays, the evolved TeV-nebulae often exhibit very peculiar forms of appearance: The emission regions are vastly extended and often asymmetric and the pulsar - which emits the particles that generate the TeV gamma rays - is located offset to the centre of the emission region in many cases. With its strongly asymmetric morphology, its diameter of more than 1.2 degree and a pulsar which is located at the northern limb of the emission region, HESS J1825-137 can be considered an archetype of the class of evolved pulsar wind nebulae. Beyond that, HESS J1825-137 stands out from the plenitude of gamma-ray emitting pulsar wind nebulae because the source is one of only two pulsar wind nebulae for which an energy-dependent morphology could be established in TeV gamma rays. A special feature of the observation of pulsar wind nebulae in gamma rays is, that the TeV gamma rays give indirect access to particles that have been injected into the nebula recently, but at the same time also to particles which have been emitted a few thousand years ago. Or in other words: the present gamma-ray image sort of shows the integrated history of the pulsar wind nebula. Consequently, the special features of the evolved pulsar wind nebula as described above are the result of the evolutionary history of the nebula. Therefore, the TeV gamma-ray observations can be used to draw conclusions on the evolution of the pulsar wind nebula. For this purpose a model aiming to reproduce the formation of the unique spatial and spectral features of HESS J1825-137 was developed within this thesis. On the basis of well-established pulsar wind nebula models, it was simulated how the particle emission of the pulsar has evolved within its previous lifetime, how the particles have spread into space, which energy losses they have undergone and finally how the present-day distribution of all particle ever emitted looks like. From the latter the expected gamma-ray emission could be derived directly. What makes the presented model rather special is that it can be used to compute both, the energy spectra of gamma rays from arbitrary subregions of the total emission region as well as sky maps. Comparing the predictions of the model to measured data, it was possible to optimise the model parameters. In this work the primary focus was on reproducing the TeV gamma-ray data of HESS J1825-127 obtained with the H.E.S.S. telescopes. The used TeV data set comprised almost twice the amount of live time and was analysed with higher sensitivity than in the previous H.E.S.S. publication dedicated to HESS J1825-137. By means of a scan of the parameter space and an additional minimisation procedure ten model parameter sets were selected which reproduced the TeV energy spectra of twelve subregions of the emission region - which had already played an important role in the previous H.E.S.S. publication - particularly well. For the selected parameter sets it was investigated how the model predictions for the energy spectra in the TeV-, GeV- and X-ray range as well as for the morphologies of the H.E.S.S. sky maps look like and whether they are consistent with observational data. Finally, future improvements of the optimisation procedure were studied with the objective of considering the spectral and spatial features of the investigated source in the best possible way.show moreshow less
  • In der vorliegenden Dissertation wird eine detaillierte Studie der TeV-Gammastrahlenquelle HESS J1825-137 präsentiert, die zur Quellklasse der Pulsarwindnebel zählt. Genauer gesagt handelt es sich bei HESS J1825-137 um einen der prominentesten Vertreter der sogenannten "entwickelten Pulsarwindnebel", die aufgrund ihres fortgeschrittenen Alters mehrere Entwicklungsstufen durchlaufen haben. Im Vergleich zu jungen Pulsarwindnebeln - die im TeV-Gammastrahlungs Licht gewöhnlich "klecksartig" erscheinen und bei denen der Schwerpunkt der emittierten Strahlung im Zentrum der Emissionsregion liegt - weisen die entwickelten TeV-Pulsarwindnebel oft sehr spezielle Erscheinungsformen auf: DieIn der vorliegenden Dissertation wird eine detaillierte Studie der TeV-Gammastrahlenquelle HESS J1825-137 präsentiert, die zur Quellklasse der Pulsarwindnebel zählt. Genauer gesagt handelt es sich bei HESS J1825-137 um einen der prominentesten Vertreter der sogenannten "entwickelten Pulsarwindnebel", die aufgrund ihres fortgeschrittenen Alters mehrere Entwicklungsstufen durchlaufen haben. Im Vergleich zu jungen Pulsarwindnebeln - die im TeV-Gammastrahlungs Licht gewöhnlich "klecksartig" erscheinen und bei denen der Schwerpunkt der emittierten Strahlung im Zentrum der Emissionsregion liegt - weisen die entwickelten TeV-Pulsarwindnebel oft sehr spezielle Erscheinungsformen auf: Die Emissionsregionen sind stark ausgedehnt und häufig asymmetrisch und der Pulsar, der als Energieliferant des Nebels gesehen wird, der die Teilchen freisetzt welche die TeV-Gammastrahlung emittieren, befindet sich in vielen Fällen abseits des Zentrums der Emissionsregion. Mit seiner stark asymmetrischen Morphologie, einem Durchmesser von über 1,2 Grad und einem Pulsar der sich am nördlichen Ende der Emissionsregion befindet, stellt HESS J1825-137 sozusagen einen Prototypen der entwickelten Pulsarwindnebel dar. Die Eigenschaft, die ihn allerdings aus der Masse der Gammastrahlen emittierenden Pulsarwindnebeln hervorhebt, ist, dass er einer von nur zwei Pulsarwindnebeln ist, für die im TeV-Gammastrahlenbereich eine energieabhängige Morphologie nachgewiesen werden konnte. Eine Besonderheit von der Beobachtung von Pulsarwindnebeln im Gammastrahlungsbereich ist, dass sich durch die Gammastrahlung sowohl Teilchen beobachten lassen, die erst vor kurzem vom Pulsar an den Nebel abgegeben wurden, als auch Teilchen, die bereits vor mehreren tausend Jahren emittiert wurden. In anderen Worten: das heutige Gammastrahlenbild zeigt sozusagen die integrierte Geschichte des Pulsarwindnebels. Die zuvor beschriebenen besonderen Eigenschaften der entwickelten Pulsarwindnebel sind folglich das Resultat der Entstehungsgeschichte des Nebels. Deswegen kann man die TeV-Gammastrahlungs-Beobachtungen nutzen um Rückschlüsse auf die Entwicklung des Pulsarwindnebels zu ziehen. Zu diesem Zweck wurde im Rahmen dieser Arbeit ein Modell entwickelt, dessen Ziel es ist die Entstehung der besonderen räumlichen und spektralen Eigenschaften von HESS J1825-137 nachzuvollziehen. Angelehnt an gängige Pulsarwindnebel Modelle wurde simuliert wie sich die Stärke der Teilchenemission des Pulsars während seiner bisherigen Lebenszeit entwickelt hat, wie sich die Teilchen im Raum ausgebreitet und welche Energieverluste sie erlitten haben und schlussendlich wie die heutige Gesamtteilchenverteilung aussieht. Aus letzterer ließ sich unmittelbar die erwartete Gammastrahlen-Emission berechnen. Die Besonderheit des hier vorgestellten Modells ist, dass es sowohl für die die Berechnung von Energiespektren der Gamma-Photonen in beliebigen Teilregionen der Emissionsregion, als auch für die Berechnung von Himmelskarten genutzt werden kann. Durch Vergleich der Vorhersagen des Modells mit gemessenen Daten ließen sich die Modellparameter optimieren. In dieser Arbeit lag das Hauptaugenmerk darauf, die mit dem H.E.S.S. Teleskop gemessenen TeV Gammastrahlungs-Daten von HESS J1825-137 besonders gut wiederzugeben. Der verwendete TeV-Datensatz umfasste nahezu die doppelte Beobachtungszeit und wurde mit einer sensitiveren Analysemethode untersucht als es in der vorhergegangenen H.E.S.S. Veröffentlichung zu HESS J1825-137 der Fall war. Mit Hilfe einer Durchmusterung des Modell Parameter Raumes sowie eines zusätzlichen Minimierungsverfahrens wurden zehn verschiedene Kombinationen an Modell Parametern bestimmt, die die TeV-Energiespektren von zwölf ausgewählten Teilbereichen der Emissionsregion - denen schon in der vorausgegangenen H.E.S.S. Veröffentlichung eine herausragende Rolle zugeschrieben wurde - besonders gut reproduzieren konnten. In detaillierten Studien wurde untersucht, wie für die ausgewählten Parametersätze die Modell Vorhersagen für die Energiespektren im TeV-, GeV- und Röntgenbereich sowie für die Morphologien der H.E.S.S. Himmelskarten aussehen und wie sich diese im Vergleich zu tatsächlich gemessenen Daten verhalten. Abschließend wurden zukünftige Verbesserungsmöglichkeiten an dem ausgewählten Optimierungsverfahren untersucht, mit dem Ziel sowohl die spektralen als auch die morphologischen Eigenschaften der TeV-Gammastrahlungsquelle bestmöglich zu berücksichtigen.show moreshow less

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Metadaten
Author:Julia Brucker
URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus-43008
Advisor:Christian Stegmann
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2013
Publishing Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Granting Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Naturwissenschaftliche Fakultät
Date of final exam:2013/02/18
Release Date:2013/03/01
Tag:H.E.S.S. Teleskop; Pulsarwindnebel; Supernovaüberrest
H.E.S.S. telescope; pulsar wind nebula; supernova remnant
SWD-Keyword:Astrophysik; Gammaastronomie; Modellierung; Morphologie; Pulsar
Institutes:Naturwissenschaftliche Fakultät / Naturwissenschaftliche Fakultät -ohne weitere Spezifikation-
Dewey Decimal Classification:Naturwissenschaften und Mathematik / Physik / Physik
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