Justierung und Abbildungsfunktion der H.E.S.S.-Reflektoren sowie Untersuchung der ultraleuchtkräftigen Infrarot-Galaxie Arp 220 mit dem H.E.S.S.-Teleskopsystem

Abstract

Die H.E.S.S.-Teleskope verfügen jeweils über einen Davies-Cotton-Reflektor von 107 m+2 Spiegelfläche, welcher von 380 Spiegelfacetten gebildet wird. Die einzelnen Spiegelfacetten müssen hierbei sehr genau ausgerichtet sein, um eine gute Abbildungsqualität zu gewährleisten. Erstmals bei Cherenkov-Teleskopen wird dazu Sternlicht für eine automatisierte Justierung verwendet, welches direkt in der Fokalebene abgebildet wird. In dieser Arbeit wird das Gesamtsystem zur Justierung der Spiegelfacetten vorgestellt sowie die damit erzielten Ergebnisse bewertet und Simulationsrechnungen gegenübergestellt. Der resultierende 80%-Umschließungsradius der Abbildungsfunktion bei achsenparalleler Abbildung beträgt 0.40 mrad und ist damit weitaus kleiner als die Pixelgröße der Cherenkov-Kameras mit einem entsprechenden Wert von 1.3 mrad. Des Weiteren werden die elevationsabhängige Deformation der Reflektoren sowie die Langzeitstabilität der Teleskopkonstruktion anhand von Messungen der Abbildungsfunktion untersucht. Wie sich zeigt, gewährleistet die solide Stahlkonstruktion auch ohne Rejustierungen über viele Jahre eine sehr gute Abbildungsqualität für den gesamten Arbeitsbereich der Teleskope. In der vorliegenden Arbeit werden ferner stereoskopische Luftschauer-Daten aus Beobachtungen der ultraleuchtkräftigen Infrarot-Galaxie Arp 220 mit dem H.E.S.S.-Teleskopsystem analysiert und ausgewertet. Starburst-Galaxien, zu denen auch ultraleuchtkräftige Infrarot-Galaxien gehören, werden neben den bereits etablierten extragalaktischen Quelltypen seit längerem als weitere Quellen sehr hochenergetischer Gamma-Strahlung diskutiert. Bislang konnte jedoch kein eindeutiger Nachweis für diese Klasse von Objekten erbracht werden. Arp 220 ist mit einer Rotverschiebung von z = 0.018 die der Erde nächstgelegene ultraleuchtkräftige Infrarot-Galaxie und wurde mit dem H.E.S.S.-Teleskopsystem im Mai/Juni 2005 für etwa 16 Stunden beobachtet. Zwar gelingt mit den vorliegenden Daten auch für Arp 220 kein Nachweis, die ermittelte obere Grenze für den integralen Photonen-Fluss oberhalb einer Energie von 1 TeV von F(>1TeV) < 3.3×10-13 Photonen cm-2 s-1 bzw. 16 mCrab liegt jedoch bereits unterhalb erster Flussvorhersagen. Jüngste Modellierungen und Beobachtungen von Starburst-Galaxien lassen allerdings erwarten, dass die derzeige Generation von Cherenkov-Teleskopen nur mit sehr tiefen Beobachtungen dazu in der Lage sein wird, diese Objekte als Quellen sehr hochenergetischer Gamma-Strahlung nachzuweisen.

The H.E.S.S. telescopes are equipped with Davies-Cotton reflectors of 107 m+2 surface, consisting of 380 mirror facets each. In order to guarantee an accurate imaging quality, a precise alignment of the mirror facets is crucial. For the first time in Cherenkov astronomy, star light directly imaged onto the focal plane is used for an automated alignment. In this thesis the entire alignment system is presented and the results achieved are discussed and compared with detector simulations. On-axis, the resulting point spread function has an 80% containment radius of 0.40 mrad which is well below the corresponding value for the pixels of the Cherenkov cameras of 1.3 mrad. In addition to this, the elevation-dependent deformation of the reflectors as well as the long-term stability of the telescope structure are investigated by measurements of the point spread function. Results indicate that even without realignments the solid steel construction can ensure a very good imaging quality for the whole range of telescope elevations over a period of many years. This thesis also presents an analysis of stereoscopic air-shower data from H.E.S.S. observations of the ultraluminous infrared galaxy Arp 220. Ultraluminous infrared galaxies belong to the class of starburst galaxies, as they harbour sites of extreme star-formation. In addition to the well established types of extragalactic sources of very high energy gamma-rays, starburst galaxies have long been discussed as further sources. So far, however, there has been no clear detection for this type of objects. With a redshift of z = 0.018 Arp 220 is the nearest ultraluminous infrared galaxy to earth and was observed with the H.E.S.S. telescopes in May/June 2005 for about 16 hours. With the present data no significant signal has been found, but the derived upper limit on the integral photon flux above an energy of 1 TeV of F(>1TeV) < 3.3×10-13 photons cm-2 s-1 or 16 mCrab is already below first model predictions. However, recent model calculations and observations of starburst galaxies suggest that with Cherenkov telescopes of the current generation very deep observations are necessary to reveal this type of objects as sources of very high energy gamma-rays.