Study of molecular clouds in the vicinity of supernova remnants as sources of very-high-energy gamma-ray emission

Untersuchung von Molekülwolken in der Nähe von Supernova-Überresten als Quellen hochenergetischer Gammastrahlung

  • H.E.S.S. is an imaging atmospheric Cherenkov telescope system for studies of cosmic γ-ray sources. The H.E.S.S. experiment provides with the H.E.S.S. Galactic Plane Survey the largest data set for such sources in the TeV energy band for the inner Galactic plane, which is very well suitable for population studies. This thesis presents studies of molecular clouds in the vicinity of supernova remnants as sources of very-high-energy γ-ray emission. γ-ray emitting molecular clouds near supernova remnants provide a good environment to test the propagation of high-energy particles through the insterstellar medium as well as to probe the acceleration of hadrons at supernova remnants. The studies areH.E.S.S. is an imaging atmospheric Cherenkov telescope system for studies of cosmic γ-ray sources. The H.E.S.S. experiment provides with the H.E.S.S. Galactic Plane Survey the largest data set for such sources in the TeV energy band for the inner Galactic plane, which is very well suitable for population studies. This thesis presents studies of molecular clouds in the vicinity of supernova remnants as sources of very-high-energy γ-ray emission. γ-ray emitting molecular clouds near supernova remnants provide a good environment to test the propagation of high-energy particles through the insterstellar medium as well as to probe the acceleration of hadrons at supernova remnants. The studies are focusing on the molecular clouds of the Galactic Ring Survey, which is the most comprehensive public catalogue of molecular clouds with estimated distances and masses. The spatial coincidence of molecular clouds from the Galactic Ring Survey with γ-ray emission in the H.E.S.S. Galactic Plane Survey is analysed in this thesis. The level of random coincidences is obtained with simulations of molecular cloud populations. It has been demonstrated that most molecular clouds of the Galactic Ring Survey are only spatially coincident by chance with γ-ray emission. However, the fraction of spatially coincident clouds with 3.5 < log [(M /d2 )/(M /kpc2)] < 4 is found to be substantially larger than the level of random coincidence, with MMC denoting the mass of the cloud and dMC its distance to Earth. However, this enhancement cannot stablished as significant connection between the molecular clouds of the Galactic Ring Survey and the emission in the H.E.S.S. Galactic Plane Survey since the probability to get the fraction of spatially coincident clouds due to random coincidences is still 3.9 · 10^3, 5.1 · 10^4 and 4.5 · 10^4 tested on γ-ray signifcance maps generated with correlation radii of 0.2 deg, 0.3 deg and 0.4 deg, respectively. Therefore, the derived results can only be interpreted as a hint for γ-ray emitting clouds in the vicinity of supernova remnants. Furthermore, this thesis presents a systematic search for regions populated with molecular clouds near supernova remnants which are potentially detectable with H.E.S.S. The search- results emphasise regions with more than one potentially detectable cloud as well as regions around supernova remnants with well known properties. In addition, the study of molecular clouds near supernova remnants resulted in a constraint on the normalisation of the diffusion coefficient at 10GeV to be smaller than 10^28/cm^2/s, even if it was not possible to derive a limit on the energy dependence of the diffusion coefficient. The surrounding of the supernova remnant 3C391 is one interesting region with potentially detectable molecular clouds. The analysis of about 80 hours of observation with the H.E.S.S. experiment reveals significant γ-ray emission from that region. The morphological and spectral properties of the observed emission are discussed. The scenario of a supernova remnant/molecular cloud association is tested. However, it is not possible to establish this scenario due to the underlying large-scale diffusive γ-ray emission and the adjacent source HESS J1848–018.show moreshow less
  • H.E.S.S. ist ein System von abbildenden atmosphärischen Cherenkov-Teleskopen zum Nach- weis von Quellen kosmischer Gammastrahlung. Das H.E.S.S. Experiment besitzt mit dem H.E.S.S. Galactic Plane Survey den größten zusammenhängenden Datensatz im TeV En- ergieband für den inneren Bereich der Galaktischen Ebene. Dieser eignet sich hervorragend für Populations-Studien. In der vorliegenden Dissertation werden die Ergebnisse verschiedene Untersuchungen zu Molekülwolken in der Umgebung von Supernova-Überresten als Quellen hochenergetischer Gammastrahlung vorgelegt. Gammastrahlungsemittierende Molekülwolken bieten eine sehr gute Möglichkeit, um Informationen über die Ausbreitung hochenergetischer TeH.E.S.S. ist ein System von abbildenden atmosphärischen Cherenkov-Teleskopen zum Nach- weis von Quellen kosmischer Gammastrahlung. Das H.E.S.S. Experiment besitzt mit dem H.E.S.S. Galactic Plane Survey den größten zusammenhängenden Datensatz im TeV En- ergieband für den inneren Bereich der Galaktischen Ebene. Dieser eignet sich hervorragend für Populations-Studien. In der vorliegenden Dissertation werden die Ergebnisse verschiedene Untersuchungen zu Molekülwolken in der Umgebung von Supernova-Überresten als Quellen hochenergetischer Gammastrahlung vorgelegt. Gammastrahlungsemittierende Molekülwolken bieten eine sehr gute Möglichkeit, um Informationen über die Ausbreitung hochenergetischer Teilchen durch das interstellare Medium sowie über die Beschleunigung von Hadronen in Supernova- Überresten zu gewinnen. Die Untersuchungen dieser Arbeit konzentrieren sich hauptsächlich auf die Molekülwolken des Galactic Ring Survey, dem umfassendsten veröffentlichten Katalog von Molekülwolken mit berechneten Entfernungen und Massen.In dieser Arbeit wird die räumliche Koinzidenz der Molekülwolken des Galactic Ring Survey mit Gammastrahlung im H.E.S.S.Galactic Plane Survey untersucht. Der Anteil an Zufallskoinzidenzen wird mit Hilfe von simulierten Molekülwolkenpopulationen ermittelt. Ein erhöhter Anteil an räumlich konzidenten Wolken wird in dem Bereich 3.5 < log [(M /d2 )/(M /kpc2)] < 4 beobachtet, wobei M die Masse der Molekülwolken und dMC ihre Distanz bezeichnen. Es kann jedoch kein signifikanter Zusammenhang zwis- chen diesen Wolken und der beobachteten Gammastrahlung hergestellt werden, da die Wahrscheinlichkeiten, dass das beobachtete Verhältnis von räumlich koinzidenten Wolken von Zufallskoinzidenzen auf Signifikanzkarten mit Korrelationsradien von 0.2◦, 0.3◦ und 0.4◦ verursacht wird, 3.9 · 10−3, 5.1 · 10−4, beziehungsweise 4.5 · 10−4 betragen. Diese Ergebnis kann aber als Hinweis auf Gammastrahlungsemission von Wolken in der Nähe von Supernova-Überresten interpretiert werden. Des Weiteren wird in dieser Dissertation eine Suche nach Regionen vorgestellt, in denen sich mit H.E.S.S. detektierbare Molekülwolken in der Nähe von Supernova-Überresten befinden. Die Ergebnisse dieser Suche heben Regionen mit mehr als einer möglichen nachweisbaren Wolke hervor sowie Regionen um Supernova-Überreste, die gut abgeschätzte Eigenschaften haben. Durch die Untersuchung von Molekülwolken in der Umgebung von Supernova- Überresten konnte außerdem mit Hilfe von simulierten Populationen eine obere Grenze auf die durchschnittliche Normalisierung des Diffusionkoeffizienten bei 10 GeV von 10^28/cm^2/s bestimmt werden. Die Energieabhängigkeit des Diffusionskoeffizienten für hochenergetische Teilchen kann leider nicht mit der hier vorgestellten Strategie beschränkt werden. Die Umgebung des Supernova-Überrestes 3C391 ist eine der Regionen, die bei der Suche nach möglichen nachweisbaren Molekülwolken aufgezeigt wurde. Die Analyse von 80 Stunden an Beobachtungsdaten des H.E.S.S. Experimentes zeigt hier signifikante Gammastrahlung. Die morphologischen und spektralen Eigenschaften der Emission werden in dieser Arbeit diskutiert, ebenso wie das Emissionszenario einer Molekülwolke in der Umgebung von 3C391. Eine Verknüpfung der beobachteten Emission mit einer Supernova-Überrest/Molekülwolken- Assoziation ist aufgrund großräumiger, diffuser Gammastrahlung und der benachbarten Quelle HESS J1848–018 nicht möglich.show moreshow less

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Metadaten
Author:Stephanie Häffner
URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus4-54544
Advisor:Christian Stegmann
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2014
Publishing Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Granting Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Naturwissenschaftliche Fakultät
Date of final exam:2014/11/07
Release Date:2014/11/25
Tag:H.E.S.S. experiment; VHE gamma-ray astronomy; gamma-ray emission of molecular clouds; molecular clouds near supernova remnants
SWD-Keyword:Gammastrahlung; Kosmische Strahlung; Molekülwolke; Supernovaüberrest
Pagenumber:1 - 133
Institutes:Naturwissenschaftliche Fakultät / Department Physik
Dewey Decimal Classification:Naturwissenschaften und Mathematik / Astronomie / Astronomie und zugeordnete Wissenschaften
Naturwissenschaften und Mathematik / Physik / Moderne Physik
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 / 98.38.-j Interstellar medium (ISM) and nebulae in Milky Way / 98.38.Dq 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 / 98.38.-j Interstellar medium (ISM) and nebulae in Milky Way / 98.38.Mz Supernova remnants
open_access (DINI-Set):open_access
Licence (German):Keine Creative Commons Lizenz - es gilt der Veröffentlichungsvertrag und das deutsche Urheberrecht

$Rev: 13581 $