A detailed study of the pulsar wind nebula HESS J0835-455 (Vela X) in TeV γ-rays [Gamma-rays] [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Bernhard Glück

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• Publié par: friedrich-alexander-universitat_erlangen-nurnberg
• Publié le: 01 janvier 2011
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Extrait

A Detailed Study of
the Pulsar Wind Nebula
HESS J0835{455 (Vela X)
in TeV -Rays
Detaillierte Analyse der
TeV-Gammastrahlung des Pulsarwindnebels
HESS J0835{455 (Vela X)
Der Naturwissenschaftlichen Fakult at
der Friedrich-Alexander-Universit at Erlangen-Nurn berg
zur Erlangung des Doktorgrades Dr. rer. nat.
vorgelegt von
Bernhard Gluc k
aus MainzAls Dissertation genehmigt von der Naturwissenschaftlichen Fakult at
der Friedrich-Alexander-Universit at Erlangen-Nurn berg
Tag der mundlic hen Prufung: 24. Februar 2011
Vorsitzender der
Promotionkommission: Prof. Dr. Rainer Fink
Erstberichterstatter: Prof. Dr. Christian Stegmann
Zweitberich Prof. Dr. J orn Wilms2Abstract
Pulsar Wind Nebulae are interstellar bubbles lled with relativistic plasma and claimed
to be the most frequent sources of Tera-Electron-Volts-ray sources in our Galaxy. HESS
J0835{455 is the TeV counterpart of the Pulsar Wind Nebula Vela X rst detected with a
radiotelescope. IthasbeenobservedwiththeHighEnergyStereoscopicSystem(H.E.S.S.)
from2003to2009. H.E.S.S.isanarrayoffourImagingAtmosphericCherenkovTelescopes,
such instruments detecting the Cherenkov light which is generated in air showers induced
by -ray photons. The Cherenkov telescope technique exhibits a high background level
introduced by the air showers of charged cosmic rays. Detailed studies of the properties
of the H.E.S.S. background will be presented. The in uence of the atmosphere on the
background rates is an extraordinary problem in the analysis of the Vela X data, as the
so-called OnO (blank sky) background model is applied. A new technique is proposed to
counterbalance misestimations of the background level due to uctuations in the optical
density and refraction of the atmosphere. In this work, the results of the TeV analysis of
Vela X are reported. They support a leptonic scenario for the plasma inside the Pulsar
Wind Nebula.
Zusammenfassung
Pulsarwindnebel sind interstellare Volumina, die mit einem Plasma aus relativistischen
Teilchen gefullt sind. Es wird vermutet, dass sie die h au gste Quelle von Teraelektronen-
volt-Gammastrahlung in unserer Galaxie sind. HESS J0835{455 ist das TeV-Pendant des
ursprunglic hmiteinemRadioteleskopdetektiertenPulsarwindnebelsVelaX.Dieserwurde
mit dem High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.) zwischen 2003 und 2009 beobachtet.
H.E.S.S. ist eine Anlage aus vier abbildenden atmosph arischen Tscherenkow-Teleskopen.
Solche Teleskope detektieren Tscherenkow-Licht aus Luftschauern, welche durch die Pho-
tonen der Gammastrahlung erzeugt werden. Die Messungen mit Tscherenkow-Teleskopen
enthalteneinenhohenAnteilanUntergrundereignissen,diedurchdieLuftschauergeladener
kosmischer Strahlung erzeugt werden. Eine ausfuhrlic he Studie der Eigenschaften des
H.E.S.S.Untergrundeswirdvorgestellt. DaderUntergrundmitdemsogenannten\OnO "-
Model abgesch atzt wird, ist der Ein uss der Atmosph are auf die Rate der Untergrun-
dereignisse eine wichtige Aufgabenstellung der Analyse der Beobachtungsdaten von Vela
X. Eine neue Methode wird vorgeschlagen, um Fehleinsch atzungen der Untergrundrate
auf Grund von atmosph arischenSchwankungen inder optischen Dichte und Lichtbrechung
auszugleichen. Die Ergebnisse der TeV-Datenanalyse fur Vela X werden vorgestellt. Diese
unterstutzen dieInterpretation, dasssichdasPlasmadesPulsarwindnebelsausElektronen
und Positronen zusammensetzt.4Contents
1 Introduction 1
1.1 Overview of the Vela Field of View . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2 From a Supernova to a Pulsar Wind Nebula . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.2.1 The Evolutionary Phases of a Supernova Remnant. . . . . . . . . . 8
1.2.2 The Pulsar Wind and the Pulsar Wind Nebula . . . . . . . . . . . . 9
1.2.3 The Evolutionary Phases of a Pulsar Wind Nebula . . . . . . . . . 14
1.2.4 Rayleigh-Taylor Instabilities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.2.5 TeV -Rays from a Leptonic Plasma . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.3 The Pulsar Wind Nebula Vela X. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.3.1 Displacement of the Nebula to the Pulsar. . . . . . . . . . . . . . . 19
1.3.2 The Nature of the Jet-like Feature . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.3.3 Modeling Vela X for a Leptonic Scenario . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.3.4 An Alternative Hadronic Scenario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.4 Prospects of -ray Observations on Vela X . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2 Imaging Atmospheric Cherenkov Telescopes 27
2.1 Cherenkov Light from Charged Particles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.2 Electromagnetic Air Showers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.3 Hadronic Air Showers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.4 Detection of Cosmic Rays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.5 The High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.) . . . . . . . . . . . . . . 36
56 CONTENTS
3 Observation of -rays with the H.E.S.S. Telescopes 39
3.1 Data Acquisition and Calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.1.1 The Trigger System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.1.2 Pixel Calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.1.3 Absolute Intensity Calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.2 Data Quality and Run Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.2.1 In uence of Atmospheric Variations . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.2.2 Cloud Detection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.3 Event Reconstruction and Background Suppression . . . . . . . . . . . . . 50
3.3.1 Hillas Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.3.2 Direction Reconstruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.3.3 Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.3.4 Event-Selection Cuts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.4 Characteristics of the \Hillas Analysis" . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.4.1 Performance of the Energy Reconstruction . . . . . . . . . . . . . . 60
3.4.2 Trigger E ciency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
3.4.3 Point Spread Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4 Background from -like Events 67
4.1 Background models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.1.1 Re ected Background Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4.1.2 OnO Background Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4.2 Characterization of the Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4.2.1 Zenith Dependency of the Background Event Rates . . . . . . . . . 70
4.2.2 Testing Scheme for In uences on the Background Rates . . . . . . . 73
4.2.3 Dependence on the Azimuth Angle . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4.2.4 Dep on the Optical E ciency . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.2.5 Dependence on the Number of Broken Pixels . . . . . . . . . . . . . 78
4.2.6 Dep on the Camera Temperature . . . . . . . . . . . . . . . 80
4.2.7 Dependence on the Night Sky Background . . . . . . . . . . . . . . 80
4.3 Rate Correction Methods for Atmospheric Fluctuations . . . . . . . . . . . 82
4.3.1 within the Association of Background Runs . . . . . . . 83CONTENTS 7
4.3.2 Modifying the Exposure Ratio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
4.3.3 General Ideas of Correcting Atmospheric Fluctuations. . . . . . . . 85
4.3.4 Advanced Correction Method for Atmospheric Conditions . . . . . 87
4.4 Dark eld tests for the OnO Background Model . . . . . . . . . . . . . . . 89
5 Technical Aspects of Flux Estimates 95
5.1 Determination of -Ray Source Signi cances . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
5.2 Evaluation of Flux Spectra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
5.3 The Art of Flux Maps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
6 The H.E.S.S. Observation of Vela X 105
6.1 The H.E.S.S. Observation History of Vela X . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
6.2 Emission from the Ring Extension . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
6.3 The Di erential Photon Spectrum of Vela X . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
6.3.1 Di erential Spectrum of the Inner Region . . . . . . . . . . . . . . 114
6.3.2 Di erential Spectrum of the Ring Extension . . . . . . . . . . . . . 116
6.3.3 Di erential Spectrum of the Entire Vela X Nebula . . . . . . . . . . 119
6.3.4 The Nearest Surroundings of the Pulsar . . . . . . . . . . . . . . . 120
6.3.5 Systematic In uence on the Extracted Spectra . . . . . . . . . . . . 122
6.4 The Morphological Structure of Vela X . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
6.4.1 Determination of the TeV Flux Centroid . . . . . . . . . . . . . . . 124
6.4.2 Elongated Two-Dimensional Gaussian Model . . . . . . . . . . . . . 125
6.4.3 Pro les of the TeV Flux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
6.4.4 Comparison of the TeV Pro les with X-Rays and Radio . . . . . . . 128
6.5 Summarizing the Analysis Results on Vela X . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
7 Conclusions 1338 CONTENTS