Analysis of hard X-ray emission from selected very high energy γ-ray [gamma-ray] sources observed with INTEGRAL [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Agnes Irene Dorothee Hoffmann

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• Publié par: eberhard_karls_universitat_tubingen
• Publié le: 01 janvier 2009
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• Langue: Deutsch
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Extrait

AnalysisofhardX-ray
emissionfromselectedvery
highenergyγ-raysources
observedwithINTEGRAL
Dissertation
zurErlangungdesGradeseines
DoktorsderNaturwissenschaften
derFakultat¨ fur¨ MathematikundPhysik
derEberhard-Karls-Universitat¨ Tubingen¨
vorgelegtvon
AgnesIreneDorothee
Hoffmann
ausSolingen
2009Selbstverlegtvon A.Hoffmann
Bruno-Matzke-Str.15,72770Reutlingen
Tagdermundlichen¨ Prufung:¨ 13.November 2009
Dekan: Prof.Dr.W.Knapp
1. Berichterstatter: Prof.Dr.A.Santangelo
2. Prof.Dr.K.WernerERWEITERTE DEUTSCHE ZUSAMMENFASSUNG
Hoffmann,Agnes
¨AnalysemitINTEGRAL beobachteterharterRontgenemission
¨ausgewahlterQuellensehrhochenergetischerGammastrahlung
¨Die Ara der sehr hochenergetischen Gammastrahlungsastronomie begann
vor wenigen Jahren, als die neueste Generation der die Atmosphare¨ abbil-
ˇ ˇdenden Cherenkov Teleskope (Imaging Atmospheric Cherenkov Telescopes,
IACT), wie beispielsweise H.E.S.S., ihre Arbeit aufnahm und einzelne TeV-
Quellenaufgelost¨ werdenkonnten.DurchBeobachtungeninvielenverschiede-
nenWellenlangenbereichen¨ konnen¨ dieseQuellenidentifiziertwerden,woraus
sich ergab, daß die entdeckten Quellen Supernovauberreste¨ und Kerne akti-
verGalaxien,aberauchPulsarwindnebelundeinigewenigeDoppelsternsyste-
me sind. Eine der noch offenen und intensiv diskutierten Fragen ist, wie diese
Quellen in der Lagesind, Teilchenzu solch hohenEnergien zu beschleunigen.
Das Verstandnis¨ der zu Grunde liegenden Teilchenverteilung und der stattfin-
denden Beschleunigungsprozesse sowie die Kenntnis uber¨ die Strahlungspro-
zesse, welche die beobachtete Strahlung erzeugen, ist deshalb von entschei-
dender Bedeutung. Die Beobachtung der harten Rontgenstrahlung¨ kann ein
Schlussel¨ sein, um Informationen uber¨ die Teilchenverteilungen und die statt-
findenden Prozesse zu erhalten. Wichtig fur¨ diese Arbeit sind derTeV und der
harteRontgenbereich.¨ DieInstrumenteH.E.S.S.undINTEGRAL,derenDaten
verwendetwurden,werdendahergenauerbeschrieben.
Der Hauptteil dieser Arbeit ist dem Rontgendoppelsternsystem¨ LS 5039/
RX J1826.2−1450 gewidmet. Dieses System wurde in mehreren Energiebe-
reichen beobachtet. Die Natur des kompakten Objekts ist noch immer unbe-
kannt. Es wurden sowohl ein Mikroquasarsystem als auch ein nicht-akkretie-
rendes Pulsarsystem als moglicher¨ Objekttyp vorgeschlagen. Die beobachtete
TeV-Emission moduliert mit der orbitalen Bewegung. Verschiedene Erklarun-¨
gen fur¨ diese Variabilitat¨ wurden in den letzten Jahren diskutiert. Die INTE-
iiiiv
GRAL-Beobachtungen, die in dieser Arbeit prasentiert¨ werden, liefern neue
Informationen, um eine Antwort auf diese Frage zu finden. Darum war der
Nachweis einerDetektion im harten Rontgenbereich¨ unddie Suche nach einer
orbitalen Abhangigk¨ eit erstrebenswert. Da jedoch LS 5039 eine sehr schwa-
che Quelle ist und der Himmelsausschnitt, in dem sie sich befindet, sehr viele
weitereQuellenenthalt,¨ war,nebeneinersehrumsichtigen,nichtdemstandar-
disierten Vorgehen folgenden Auswertung der INTEGRAL-Daten, auch eine
Gegenprobe mit anderen Analysemethoden erforderlich, um verlassliche¨ Re-
¨sultate zu erzielen. Wir fanden, daß LS 5039 im harten Rontgenbereich Strah-
lung emittiert. Fur¨ den Energiebereich25−200keV konnte eine Flußrate und
eineobereFlußgrenzeabhangig¨ vonderorbitalenPhasebestimmtwerden.Fur¨
die Phase der unteren Konjunktion wurde zudem ein Spektrum gewonnen, das
gut durch ein Potenzgesetz mit einem Photonenindex von Γ = 2.0±0.2 be-
schrieben werden kann. Das wichtigste Ergebnis unserer Analyse ist jedoch,
daßdieharteRontgenstrahlung¨ innerhalbeinesUmlaufsvariiertunddaßdiese
Modulation verhaltnism¨ aßig¨ gut mit der TeV-Emission in Phase ist. Obwohl
die Ergebnisse der INTEGRAL-Analyse keine Entscheidung zwischen dem
Mikroquasar- und dem Pulsarszenario zulassen, laßt¨ sich mit ihrer Hilfe die
einfacheErklarung,¨ daßdieTeV-Variabilitat¨ eineFolgereinerPhoton-Photon-
Absorption sei, ausschließen. Daher diskutieren wir in dieser Arbeit mogliche¨
alternative Erklarungen¨ wie die adiabatische Kuhlung¨ von Elektronen als Ur-
sache fur¨ die korrelierte Modulation. In diesem Fall ist die Variabilitat¨ einfach
ein Resultat der orbitalen Bewegung, und der großere¨ Faktor der Modulation
im TeV-Energiebereich wird durch zusatzliche¨ Prozesse wie γ-γ-Absorption
unddieAnisotropiederinverseComptonstreuungverursacht.
ImzweitenTeildieserArbeitwirddiekeV−TeV-Verbindungvondreidurch
Rotation angetriebene Pulsarwindnebel (rotation-powered pulsar wind nebu-
lae, RPWN) untersucht. Die Analyse ist konzentriert auf RPWNs, welche als
TeV Plerions entdeckt wurden. Die zwei erzeugten Mosaikbilder beinhalten
die Pulsare PSR J0835−4510 (Vela), PSR J1513−5908 (MSH 15−52) und
PSR J1420−6048 (Kookaburra). Nur einige wenige Prozent aller mit INTE-
GRAL beobachteten RPWNs wurden als junge Pulsare oder Pulsare mittle-
ren Alters identifiziert. Die Analyse der archivierten INTEGRAL-Daten wei-
sen auf eine harte Rontgenemission¨ an der Position von PSR J1420−6048 im
“Kookaburra” TeV Plerion G313.3+0.6 hin, zusatzlich¨ zu den schon bekann-
ten INTEGRAL-Quellen. Der Pulsar PSR J1420−6048 gehort¨ zu der Klasse
der Pulsare mittleren Alters, in welchen der RWPN mit der ruckw¨ arts¨ gerich-
tetenSchockfrontdesSupernovauberrestes¨ wechselwirkt.Allesinallemdeutetv
diese Analyse auf einen tieferen Zusammenhang zwischen TeV Plerions und
Pulsarwindnebeln,diemitINTEGRAL entdecktwurden,hin.
DenletztenTeildieserArbeitwidmenwireinersystematischenAnalysedes
fur¨ die Region um LS 5039 erzeugten Mosaikbildes. Auf den ersten Blick er-
6scheint die 3×10 s tiefe INTEGRAL-Beobachtung zwar nur als Nebenpro-
dukt, es lohnt sich jedoch, diese selbst genauer zu betrachten. Alle bekannten
H.E.S.S.-Quellen und alle-Quellen, die sich im Gesichtsfeld be-
finden, werden aufgelistet. Insbesondere zieht aber eine Quelle die Aufmerk-
samkeitaufsich.DiesistdasakkretierendeundpulsierendeNeutronensternsy-
stemAXJ1820.5−1434.DieLeuchtkraftvonAXJ1820.5−1434scheintauch
mit den Phasen von LS 5039 zu variieren. Durch die Analyse von RXTE /
ASMDatenergibtsich,daßdieseinResultatdeszufalligen¨ Zusammentreffens
zwischenhohenFlußzustanden¨ vonAXJ1820.5−1434unddesgewahlten¨ Pha-
senintervalsderunterenKonjunktionvonLS5039ist.viABSTRACT
Hoffmann,Agnes
AnalysisofhardX-rayemissionfromselectedveryhighenergyγ-ray
sourcesobservedwithINTEGRAL
A few years ago, the era of very high energyγ-ray astronomy started, when
ˇthe latest generation of Imaging Atmospheric Cherenkov Telescopes (IACT)
like H.E.S.S. began to operate and to resolve the sources of TeV emission.
Identifications via multi-wavelength studies reveal that the detected sources
aresupernovaremnantsandactivegalacticnuclei,butalsopulsarwindnebulae
and a few binaries. One widely discussed open question is, how these sources
areabletoaccelerateparticlestosuchhighenergies. Theunderstandingofthe
underlyingparticledistribution,theaccelerationprocessestakingplace,andthe
knowledgeoftheradiationprocesseswhichproducetheobservedemission,is,
therefore, of crucial interest. Observations in the hard X-ray domain can be a
key to get information on these particle distributions and processes. Important
for this thesis are the TeV and the hard X-ray range. The two instruments,
H.E.S.S. and INTEGRAL, whose data were used, are, therefore, described in
detail.
The main part of this thesis is focused on the X-ray binary system LS 5039/
RX J1826.2−1450. It was observed in several energy ranges. The nature of
thecompactobjectisstillnotknown,anditwasproposedeithertobeamicro-
quasarsystemoranon-accretingpulsarsystem. TheobservedTeVemissionis
modulated with the orbital cycle. Several explanations for this variability have
been discussed in recent years. The observations with INTEGRAL presented
in this thesis have provided new information to solve this question. Therefore,
a search for a detection in the hard X-ray range and for its orbital dependence
wasworthwhile. SinceLS5039isafaintsourceandtheskyregionwhereitis
located is crowded, a very careful, non-standard handling of the INTEGRAL
data was necessary, and a cross-checking with other analysis methods was es-
viiviii
sentialtoprovidereliableresults. WefoundthatLS5039isemittinginthehard
X-ray energy range. A flux rate and an upper flux limit, dependent on orbital
phase,weredeterminedfortheenergyrange25−200keV. Fortheinferiorcon-
junction phase, also a spectrum was obtained and found to be well described
by a power law with a photon index of Γ = 2.0± 0.2. Our main result is
thatthehardX-rayemissionismodulatedwiththeorbitandthismodulationis
comparativelyinphasewiththeTeV emission. AlthoughtheresultsoftheIN-
TEGRAL analysisarenotabletodistinguishbetweenthemicroquasarandthe
pulsar scenario, they rule out a simple explanation of the TeV variability as a
consequenceofpurephoton-photonabsorption. Inourworkwe,therefore,dis-
cusspossiblealternativeslikeadiabaticcoolingoftheelectronsasareasonfor
the correlated modulation. In this case the variabilit