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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-33899
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2007/3389/


New Constraints on the Density of the Extragalactic Background Light and the Discovery of TeV gamma-rays from the BL Lac 1ES 0347-121 and the Extended Source HESS J1023-575

Neue Einschränkung auf die Dichte des extragalaktischen Hintergrundlichtes und die Entdeckung von TeV Gamma-Strahlung von dem BL Lac 1ES 0347-121 und der ausgedehnten Quelle HESS J1023-575

Raue, Martin

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SWD-Schlagwörter: Aktiver galaktischer Kern , Offener Sternhaufen , Massereicher Stern , Hochenergieastronomie , Kosmische Hintergrundstrahlung , Gammaastronomie
Freie Schlagwörter (Englisch): active galactic nuclei , open star cluster , massive star , high energy astrophysics , cosmic background radiation , gamma astronomy
Basisklassifikation: 39.41 , 39.22
Institut: Physik
DDC-Sachgruppe: Astronomie, Kartographie
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Heinzelmann, Götz (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 26.07.2007
Erstellungsjahr: 2007
Publikationsdatum: 06.08.2007
Kurzfassung auf Deutsch: Die H.E.S.S. Kollaboration betreibt ein stereoskopisches System aus vier großen abbildenden Cherenkov-Teleskopen für den Nachweis sehr hochenergetischer Gamma-Strahlung (VHE; > 100 GeV).

In dieser Arbeit wird über den Nachweis zweier neuer Quellen sehr hochenergetischer Gamma-Strahlung mit den H.E.S.S.-Teleskopen berichtet. Die extragalaktische Quelle 1ES0347-121 gehört zur Klasse der BL Lac Objekte und ist der aktive Kern einer entfernten Galaxie. Detektiert mit einer Signifikanz von mehr als 10 Standard-Abweichungen, ist es die bisher am weitesten entfernte Quelle sehr hochenergetischer Gamma-Strahlung (Rotverschiebung z = 0.1880). Ihr Energiespektrum läßt sich gut durch ein Potenzgesetz mit Photonindex Gamma = 3.08 +/- 0.23_stat +/- 0.1_sys beschreiben. Der integrale Fluss I(E >250GeV) entspricht ~2% des Flusses des Krebsnebels. Mit Hilfe des hochenergetische Gamma-Strahlungsspektrum von 1ES 0347-121 werden Einschränkungen auf die Dichte des extragalaktischen diffusen Photonfeldes bestimmt (s. unten).

Bei der zweiten Quelle handelt es sich um die ausgehnte Quelle HESS J1023-577, die mit dem jungen, massiven Sternenhaufen Westerlund 2 und dessen Umgebung assoziert wird. Junge und massereichen Sterne strahlen starke Sternenwinde ab, die durch Schockbeschleunigung hochenergetische Teilchen produzieren können. Zum erstenmal konnte eine Quelle sehr hochenergetischer Gamma-Strahlung mit einer solchen Umgebung sicher identifiziert werden. Das Energiespekrum reicht von ~400GeV bis ~20TeV und läßt sich gut durch eine Potenzgesetz mit Photonindex Gamma=2.53 +/- 0.16_stat +/- 0.1_syst beschreiben. Mögliche Mechanismen und Modelle zur Produktion solch sehr hochernergetischer Gamma-Strahlung werden diskutiert und mit den beobachteten Eigenschaften der Quelle verglichen.

Im Raum zwischen den Galaxien existiert ein diffuses Photonen-Feld, welches Informationen über die kosmologische Geschichte der Galaxien- und Sternenentstehung enthält. Direkte Messung dieses Feldes bei ultravioletten bis zu fern-infraroten Wellenlängen ist schwierig, da innerhalb unseres Sonnensytems und unserer Galaxie dominante Vordergrund-Strahlung existiert. Hochenergetische Gamma-Strahlung von entfernten Quellen wird durch Wechselwirkung (Paar-Erzeugung) mit diesem Feld absorbiert. Die auf der Erde gemessenen Spektren erhalten so einen Abdruck des Feldes, der zusammen mit Annahmen über das intrinsische Spektrum, das an der Quelle erzeugt wird, dazu verwendet werden kann, die Dichte des Strahlungsfeldes einzuschränken. In dieser Arbeit werden die Spektren aller bekannten extragalaktischen Quellen hochenergetischer Gamma-Strahlung vom Typ TeV-Blazar dazu verwendet, starke Einschränkungen auf das diffuse extragalaktische Photonen-Feld über einen weiten Bereich in der Wellenlänge zu berechnen. Da der exakte spektrale Verlauf dieses Photon-Feldes unbekannt ist, werden eine große Anzahl unterschiedlicher Verläufe getestet, die aus einem Gitter in Wellenlänge gegen Dichte des Photon-Feldes abgeleitet werden. Die bestimmten Einschränkungen liegen nur einen Faktor 2 bis 3 höher als die unteren Grenzen ermittelt aus Quellen-Zählungen. Das Universum ist somit deutlich transparenter für hochenergetische Gamma-Strahlung als ursprünglich angenommen.
Kurzfassung auf Englisch: In this work the discovery of two new sources of VHE gamma-rays with the H.E.S.S. telescopes is reported. The extragalactic source 1ES 0347-121 belongs to the class of BL Lac objects and is the active core of a distant galaxy. It has been discovered with a significance of more than 10 standard deviations, which makes it the most distant source of VHE gamma-rays today (redshift z = 0.1880). Its spectrum is well described by a power law with photon index Gamma = 3.08 +/- 0.23_stat +/-0.1_sys. The integral flux I(E>250\,GeV) corresponds to ~2% of the flux of the Crab Nebula. The VHE spectrum of 1ES 0347-121 is used to derive limits on the diffuse extragalactic photon field (see below), which are found to be only slightly less constraining than the strongest constraints derived previously from the VHE spectrum of the BL Lac 1ES 1101-232 (z = 0.186).

The second source is the extended VHE gamma-ray source HESS J1023-577, which is associated with the young massive star cluster Westerlund 2 and its surrounding. These young and massive stars exhibit strong stellar winds, which can produce relativistic particles through shocks. For the first time, a source of VHE gamma-rays has been firmly associated with such an environment. The VHE energy spectrum ranging from ~400GeV to ~20TeV is well fitted by a power-law function with photon index Gamma=2.53 +/- 0.16_stat +/- 0.1_sys. Possible mechanisms and models for the production of VHE gamma-rays in such an environment are discussed and compared with the observed properties of the source.

The space between galaxies is filled with a diffuse photon field, which carries cosmological information about the galaxy and star formation history. Direct measurements of this field in the ultraviolet to far-infrared wavelength regime (extragalactic background light; EBL) are difficult due to dominant foregrounds coming mainly from dust inside our planetary system and other sources in our galaxy. VHE gamma-rays from distant sources are attenuated via pair-production with the EBL. The VHE spectra measured on Earth therefore carry an imprint, which together with assumptions about the intrinsic spectrum produced at the source can be used to derive limits on the density of the EBL. In this thesis the spectra of all known extragalactic VHE sources of TeV blazar type are used to derive strong constraints on the density of the EBL over a broad wavelength range. Since the exact shape of the EBL is unknown, a large number of different shapes, derived from a grid in EBL wavelength vs density, are tested. The derived limits are found to be only a factor of 2 - 3 higher than the lower limits from source counts, which implies that the universe is more transparent to VHE gamma-rays than previously anticipated.

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