Emitters of VHE {γ-radiation [gamma-radiation] as revealed by the H.E.S.S. galactic plane survey [Elektronische Ressource] / put forward by Stefan Hoppe

Sujets

• Astronomie

Informations

• Publié par: ruprecht-karls-universitat_heidelberg
• Publié le: 01 janvier 2008
• Nombre de lectures: 14
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 14 Mo

Extrait

Dissertation
submitted to the
Combined Faculties for the Natural Sciences and for Mathematics
of the Ruperto-Carola University of Heidelberg, Germany
for the degree of
Doctor of Natural Sciences
Put forward by
Dipl.-Phys.: Stefan Hoppe
Born in: Cologne, Germany
Oral examination: 3.12.2008Emitters of VHE γ-radiation as revealed by the H.E.S.S.
Galactic plane survey
Referees: Prof. Dr. Werner Hofmann
Prof. Dr. Heinz V¨olkAbstract
The High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.) – an array of four Imaging Atmospheric
Cherenkov Telescopes located in the Khomas highlands of Namibia – explores the non-
thermal universe by means of very-high-energy (VHE;>100GeV)γ-ray emission. Its high
sensitivity and large field-of-view make it the ideal instrument for a survey of the Milky
Way in VHE γ-rays. The H.E.S.S. Galactic Plane Scan resulted in the most complete
view of our Galaxy achieved so far in this energy regime. The results of this extensive
survey will be presented in this work. From the 45 VHE γ-ray sources detected so far
within the Galactic Plane, a short summary is given for the 19 sources detected within
the framework of this thesis and three representative sources were analyzed in even more
detail: HESS J1912+101 was detected in the vicinity of an energetic pulsar, suggesting
a pulsar wind nebula origin of the γ-ray emission. A clear signal of VHE γ-ray emission
was also detected from RCW 86, a well-known shell-type supernova remnant. And finally,
HESS J1708-441 was discovered in the vicinity of the well known pulsar PSR B1706-44,
but cannot be clearly associated with this strong counterpart. As the energy spectra of
thesesourcesyieldmostvaluableinformationabouttheprocessesatworkintheunderlying
astrophysical objects, extensive studies of the spectral extraction method were performed
to ensure their correct determination.
Kurzfassung
H.E.S.S. ist ein Experiment zur Erforschung des nicht-thermischen Universums duch die
Detektion sehr hochenergetischer Gamma-Strahlung. H.E.S.S. besteht aus vier abbilden-
den Cherenkov Teleskopen im Khomas Hochland von Namibia. Die hohe Sensitivita¨t und
das grosses Gesichtsfeld bef¨ahigen H.E.S.S. zu einer grossfl¨achigen Durchmusterung der
Galaktischen Ebene. Dieses Durchmusterung resultierte in der bisher vollsta¨ndigsten Kar-
tographierung unserer Galaxie in dem Energiebereich zwischen 100GeV und 100TeV. Die
Ergebnisse werden in dieser Abhandlung vorgestellt. Von der grossen Anzahl an Quellen
– 45 an der Zahl – werden die 19 Quellen, welche im Rahmen dieser Arbeit entdeckt wur-
den, naeher beschrieben und drei representative Quellen gesondert analysiert: Zum einen
HESS J1912+101, eine Quelle, die in der N¨ahe eines hochenergetischen Pulsares entdeckt
wurde. Die positionelle Koinzidenz legt eine Assoziation mit einem Pulsar-Wind-Nebel
(PWN) nahe. Ebenfalls na¨her untersucht wird die Emission hochenergetischer Gamma-
Strahlung von dem bekannten Supernovau¨berrest RCW 86. Als letztes vorgestellt wird
HESS J1708-44, eine Quelle in der Umgebung des bekannten Pulsaren PSR B1706-44, die
trotz des suggestiven Gegenstu¨cks keine klare Zuordnung erlaubt. Da die Energiespektren
der obengenannten Quellen wertvolle Informationen u¨ber die zugrundeliegenden Prozesse
innerhalb der assoziierten Objekte liefern, werden zusa¨tzlich die Methoden der Spektrums-
bestimmung im Detail beschrieben und ausfu¨hrlichen Tests unterzogen.Contents
1 Astrophysics Overview 5
1.1 Shock Acceleration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.1.1 Diffusive Shock Acceleration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.1.2 Relativistic Shock Acceleration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.1.3 Maximum Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.2 Radiation Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.2.1 Hadronic Scenario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.3 Accelerators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.3.1 Supernova Remnants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.3.2 Pulsars and Pulsar Wind Nebulae . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2 H.E.S.S. and its Data Analysis Scheme 37
2.1 Air Showers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.2 Imaging Atmospheric Cherenkov Technique . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.3 The H.E.S.S. Experiment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.4 The Standard Data Analysis Scheme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.5 Basic Performance of H.E.S.S. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3 Spectral Analysis 53
3.1 Effective Gamma-Ray Collection Area . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.2 Probability Density Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
3.3 Energy Threshold. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.4 Differential Gamma-Ray Spectrum: Method A . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3.5 Differential Gamma-Ray Spectrum: Method B . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.6 Systematic Studies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
3.6.1 Toy Model MC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
3.6.2 Real Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
4 The H.E.S.S. Galactic Plane Survey 77
4.1 The General Principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
4.2 The Data Set . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
4.2.1 Observation Scheme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
4.2.2 Zenith Angle of Observations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
4.3 The Survey Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
4.3.1 Processing the Individual Observations. . . . . . . . . . . . . . . . . 83
4.3.2 Combination of Run-wise Information . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
iCONTENTS
4.3.3 Detection of Sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
4.4 Results. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
4.4.1 Source Detection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
4.4.2 Flux Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
4.4.3 Source Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
4.5 New Galactic VHE γ-ray Sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
4.5.1 Pulsar Wind Nebulae and Plerions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
4.5.2 Supernova Remnants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
4.5.3 Unidentified Sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
4.5.4 Miscellaneous . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
5 Individual Source Analysis 113
5.1 HESS J1912+101 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
5.1.1 Observations and Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
5.1.2 Possible Associations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
5.1.3 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
5.2 RCW 86 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
5.2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
5.2.2 Analysis methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
5.2.3 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
5.2.4 The Morphology Analysis of RCW 86 . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
5.2.5 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
5.2.6 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
5.3 HESS J1708-442 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
5.3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
5.3.2 H.E.S.S. observations and analysis methods . . . . . . . . . . . . . . 135
5.3.3 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
5.3.4 Possible Counterparts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
5.3.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
6 Conclusions and Outlook 147
A The H.E.S.S. Galactic Plane Survey: More Details 151
A.1 Additional Significance and Flux Maps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
A.2 Sources and their References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
iiList of Figures
1.1 Structure of a strong, modified shock . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.2 Klein-Nishina scattering cross section . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.3 Synchrotron and invere Compton spectrum in SED represention . . . . . . 14
1.4 Leptonic model SEDs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.5 Hadronic model SEDs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.6 Radius and velocity of the SNR forward shock front . . . . . . . . . . . . . 23
1.7 Maximum momentum of accelerated protons . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
1.8 CR energy in and TeV γ-ray flux from a SNR . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.9 Model of the str