Detection of gamma rays from the supernova remnant RX J0852.0-4622 with H.E.S.S. [Elektronische Ressource] / von Nukri Randolf Komin

Komin Nukri Randolf

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• Publié le: 01 janvier 2005
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Extrait

Detection of Gamma Rays from the Supernova
Remnant RX J0852.0-4622 with H.E.S.S.
DISSERTATION
zur Erlangung des akademischen Grades
doctor rerum naturalium
(Dr. rer. nat.)
im Fach Physik
eingereicht an der
Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät I
Humboldt-Universität zu Berlin
von
Herr Dipl.-Phys. Nukri Randolf Komin
geboren am 20.07.1973 in Berlin
Präsident der Humboldt-Universität zu Berlin:
in Vertretung Prof. Dr. Hans Jürgen Prömel
Dekan der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät I:
Prof. Thomas Buckhout, PhD
Gutachter:
1. Prof. Dr. Thomas Lohse
2. Prof. Dr. Hermann Kolanoski
3. Prof. Dr. Uli Katz
eingereicht am: 13. September 2005
Tag der mündlichen Prüfung: 25. Oktober 2005Abstract
Shell-type supernova remnants are discussed to be a main source of the
galactic cosmic rays. Very high energy γ-rays (energies between 30GeV and
30TeV) from these objects are a tracer for the acceleration of particles. Up
to now, only a limited number of supernova remnants were observed in γ-
rays. This work reports on the observations of γ-rays from the shell-type
supernova remnant RXJ0852.0−4622 carried out with the High Energy
Stereoscopic System in February 2004.
H.E.S.S., a system of four imaging Cherenkov telescopes, is dedicated to
the observation of γ-rays of energies between 100GeV and several tens of
TeV. It is currently the most sensitive instrument in its energy range. A
source of the strength of the Crab Nebula can be detected with a significance
of 5σ within 6 minutes. The direction of a single γ-ray can be reconstructed
◦with an angular resolution of better than 0.1 . The energy of the γ-rays can
be estimated with an accuracy of≈ 20%.
Emission of γ-rays from RXJ0852.0−4622 was detected with a signifi-
cance of 12σ within a live time of 3.2h. The morphology of the emission
region is clearly extended and correlated with the morphology of the X-ray
emission. A differential energy spectrum of the photon flux between 0.5 and
−Γ10TeV was reconstructed. It is found to follow a power law dN/dE ∝ E
with a spectral index of Γ = 2.1 ± 0.1 ± 0.2 . The integral pho-stat syst
ton flux above 1TeV from the entire remnant is (1.9± 0.3 ± 0.4 )×stat syst
−11 −2 −110 cm s which is at the level of the Crab flux at these energies, es-
tablishing RXJ0852.0−4622 as one of the brightest γ-ray sources in the sky.
RXJ0852.0−4622 is the second supernova remnant of which an extended
γ-ray morphology could be proved.
The emission of γ-rays from shell-type supernova remnants can be ex-
plained as being produced by accelerated electrons or protons. The ob-
served energy flux in γ-rays between 0.5 and 10TeV is calculated to be
−11 −2 −1(9±1 ±2 )×10 ergcm s . Based on the energy flux in X-raysstat syst
the expected energy flux due to inverse Compton scattering of relativistic
electrons on the cosmic microwave background is estimated. It is found to
be several orders of magnitude lower than the observed flux, suggesting that
another radiation component significantly contributes to the γ-ray emission
of RXJ0852.0−4622.
In strong interactions of relativistic protons with the ambient interstel-
lar material neutral pions are produced. The decay of these pions produce
γ-rays. The distance to RXJ0852.0−4622 and the density of the ambientinterstellar material are open parameters in the interpretation. It is shown
for a wide range of these that the transfer of several percent of
51the kinetic energy of the supernova remnant (∼ 10 erg) to the acceleration
of protons could explain the observed energy flux in γ-rays. Thus, it is likely
thatRXJ0852.0−4622contributestotheaccelerationofgalacticcosmicrays.
Keywords:
Gamma-Rays, Supernova Remnants, RX J0852.0-4622, H.E.S.S.
iiiZusammenfassung
Es wird angenommen, dass schalenartige Supernova-Reste wesentliche Quel-
lendergalaktischenkosmischenStrahlungsind.DieBeschleunigungvonTeil-
chen in diesen Objekten kann mit hochenergetischer γ-Strahlung (Energien
zwischen 30GeV und 30TeV) nachgewiesen werden. In dieser Arbeit wird
die Beobachtung von γ-Strahlung des schalenartigen Supernova-Restes RX
J0852.0−4622 beschrieben. Diese Beobachtungen wurden im Februar 2004
mit dem High Energy Stereoscopic System durchgeführt.
H.E.S.S., ein System von vier abbildenden Cherenkov Teleskopen, kann
γ-Strahlung im Bereich zwischen 100GeV und einigen 10TeV nachweisen.
Zur Zeit ist H.E.S.S. das leistungsfähigste Instrument in seinem Energiebe-
reich. Eine Quelle in der Stärke des Krebsnebels kann mit einer Signifikanz
von 5σ innerhalb von 6 Minuten nachgewiesen werden. Die Richtung eines
◦einzelnenPhotonsderγ-StrahlungwirdmiteinerWinkelauflösungunter0.1
rekonstruiert. Die Energie dieser Photonen wird mit einer Genauigkeit von
etwa 20% bestimmt.
Die Emission von γ-Strahlung von RX J0852.0−4622 wurde mit einer
Signifikanz von 12σ bei einer Belichtungszeit von 3.2h nachgewiesen. Die
Morphologie der Emissionsregion ist ausgedehnt und korreliert mit der Mor-
phologie der Röntgenstrahlung. Ein differenzielles Energiespektrum des Pho-
tonenflusses wurde im Bereich zwischen 0.5 und 10TeV rekonstruiert. Das
−ΓSpektrum folgt einem Potenzgesetz dN/dE ∝ E mit Γ = 2.1±0.1 ±stat
0.2 . Der integrierte Photonenfluss oberhalb von 1TeV ist (1.9±0.3 ±syst stat
−11 −2 −10.4 )× 10 cm s , auf dem Niveau des Flusses des Krebsnebels. RXsyst
J0852.0−4622istdahereinederhellstenγ-StrahlungsquellenamHimmelund
derzweiteSupernova-Restdessenausgedehnteγ-Strahlungsemissionnachge-
wiesen werden konnte.
γ-Strahlung kann in Supernova-Resten durch inverse Compton-Streuung
vonrelativistischenElektronenoderdurchstarkeWechselwirkungenvonPro-
tonenmitdeminterstellarenMaterialerklärtwerden.MitHilfevonRöntgen-
messungenwurdedererwarteteEnergieflussvoninverserCompton-Streuung
an der kosmischen Mikrowellenstrahlung abgeschätzt. Diese ist um einige
Größenordnungen kleiner als der beobachtete Wert von (9±1 ±2 )×stat syst
−11 −2 −110 ergcm s . Daher ist es wahrscheinlich, dass eine weitere Strahlungs-
komponente einen signifikanten Anteil an der γ-Strahlungsemission von RX
J0852.0−4622 hat. Offene Parameter in der Interpretation als Strahlung aus
Proton-Wechselwirkungen sind die Entfernung zu RXJ0852.0−4622 sowiedie Dichte des interstellaren Materials. In einem weiten Bereich dieser Pa-
rameter ist der Transfer von einigen Prozent der kinetischen Energie des
51Supernova-Restes(∼ 10 erg)indieProtonenbeschleunigungnotwendig,um
den beobachteten Energiefluss zu erklären. Daher ist es wahrscheinlich, dass
RXJ0852.0−4622 zur galaktischen kosmischen Strahlung beiträgt.
Schlagwörter:
Gammastrahlung, Supernova-Reste, RX J0852.0-4622, H.E.S.S.
vContents
Introduction 1
1 Cosmic Rays 5
1.1 Energy Spectrum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2 Origin of the Cosmic Rays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.3 Supernova Remnants as Source of Cosmic Rays . . . . . . . . 8
2 The Supernova Remnant RXJ0852.0−4622 9
2.1 Detection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2 Morphology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.3 Age of the SNR and its Distance to Earth . . . . . . . . . . . 12
2.4 Source of the X-ray Emission . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.5 Gamma-Ray Observations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
3 Gamma Rays from Supernova Remnants 15
3.1 Supernova Explosions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3.2 Evolution of Shell-Type Supernova Remnants . . . . . . . . . 17
3.3 Shock Fronts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.4 Particle Acceleration in Shock Fronts . . . . . . . . . . . . . . 23
3.5 Diffusive Shock Acceleration . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.6 Gamma Ray Production in Supernova Remnants . . . . . . . 28
3.6.1 Hadron Interaction with the Interstellar Material . . . 28
3.6.2 Gamma-Ray Production by Electrons . . . . . . . . . . 31
3.6.3 Comparison of the Emission Processes of Electrons . . 38
4 The H.E.S.S. Experiment 41
4.1 Particle Showers in the Atmosphere . . . . . . . . . . . . . . 41
4.1.1 Electromagnetic Showers . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4.1.2 Hadronic Showers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.1.3 Cherenkov Light of Air-Showers . . . . . . . . . . . . . 45
4.2 Experimental Setup of H.E.S.S. . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
vi4.2.1 The Site . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.2.2 Mount and Tracking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.2.3 The Optical System. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.2.4 The Cameras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.2.5 The Trigger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.2.6 Weather and Atmospheric Monitoring. . . . . . . . . . 55
4.2.7 Central Data Acquisition System . . . . . . . . . . . . 57
4.2.8 Calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
4.2.9 Event Building . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4.2.10 Detector Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4.2.11 Event Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
4.2.12 Energy Estimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69<