The TeV γ-ray [gamma-ray] binary PSR B1259-63 [Elektronische Ressource] : observations with the high energy stereoscopic system in the years 2005 - 2007 / von Matthias Kerschhaggl

Herrn Dipl.-Ing. Matthias Kerschhaggl

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• Astronomie

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• Publié le: 01 janvier 2010
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Extrait

The TeV γ-Ray Binary PSR B1259-63
Observations with the High Energy Stereoscopic System in the years
2005-2007
DISSERTATION
zur Erlangung des akademischen Grades
doctor rerum naturalium (Dr. rer. nat.)
im Fach Physik
eingereicht an der
Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät I
der Humboldt-Universität zu Berlin
von
Herrn Dipl.-Ing. Matthias Kerschhaggl
geboren am 20.11.1977 in Graz
Präsident der der Humboldt-Universität zu Berlin:
Prof. Dr. Dr. h.c. Christoph Markschies
Dekan der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät I:
Prof. Dr. rer. nat., habil. Lutz-Helmut Schön
Gutachter:
1. Prof. Dr. rer. nat. habil. Thomas Lohse
2. Prof. Dr. rer. nat. habil. Hermann Kolanoski
3. Prof. Dr. rer. nat. Marek Kowalski
eingereicht am: 25. November 2009
Tag der mündlichen Prüfung: 6. April 2010Widmung
Berlin am 25.11.2009
An dieser Stelle möchte ich meinem Doktorvater und Chef Herrn Prof. Dr. Thomas
Lohse, der diese Arbeit durch ein hohes Maß an Unterstützung und Betreuung trotz
teils widriger finanzieller Umstände erst ermöglicht hat, recht herzlich danken: Ich habe
in den letzten 4 Jahren sehr viel über Physik und Statistik aber auch in zahlreichen
mittäglichen Kaffeeplauschen das ein oder andere Interessante über Mathematik gel-
ernt. Die Arbeit der vergangnen Jahre in seiner Gruppe und unter seiner Anleitung hat
sehr viel Spass gemacht, nicht zuletzt deshalb weil hier ein wirklich gutes Betriebsklima
herrscht. Solche nicht unwesentlichen Rahmenbedingungen sind keineswegs selbstver-
ständlich!
Herrn Dr. Ulli Schwanke möchte ich für die erstklassige Betreuung und die vielen fach-
lichen Diskussionen zu meiner Arbeit sowie für das Korrekturlesen danken. Ich hätte den
Einstieg in das für mich damals neue Fachgebiet wohl kaum ohne seine Hilfe geschafft.
Den Herren Prof. Dr. Felix Aharonian und Dr. Dimitry Khangulyan möchte ich für die
fruchtbare Zusammenarbeit und Unterstützung auf dem Gebiet der theoretischen Mod-
ellierung von Binärsystemen danken. Herrn Dr. M. de Naurois danke ich für die gute
Zusammenarbeit und Crosscheck Analyse.
Mein Dank gilt auch all meinen Kollegen, allen voran Matt Dalton, Arne Schönwald,
Manuel Paz Arribas, Iurii Sush und Matthias Füßling für gute Zusammenarbeit, zahlre-
iche humorvolle Spaziergänge und Aktivitäten in Zeiten fachlicher Innovationssätti-
gung und gelebte Integration gegenüber Wissenschatlern mit Migrationshintergrund.
Matthias Füßling möchte ich überdies für seine Hilfe in Computerangelenheiten meinen
Dank aussprechen.
Unserer Sekretärin und gutem Geist der Arbeitsgruppe Veronika Fetting möchte ich für
die vielfache Unterstützung bei administrativen Fragestellungen herzlich danken. Herrn
Olf Epler gilt mein Dank für seine Arbeit als Systemadministrator und Unterstützung
bei der Betreuung diverser Praktikumsversuche.
Wie wohl in den meisten Danksagungen dürfen an dieser Stelle natürlich nicht meine El-
tern für ihre uneingeschränkte Unterstützung so wie meine liebe Oma fehlen, die mich in
jungen Jahren unermüdlich mit leckeren Lungauer Knödeln gemästet hat, wohl wissend,
daß diese sich intelligenzförderlich auf das zerebrale Wachstum auswirken und somit die
eigentliche Grundlage für diese Arbeit gelegt wurde.
iiiAbstract
PSRB1259−63/SS2883 is a binary system where a 48 ms pulsar orbits a massive
Be star with a period of 3.4 years. The system exhibits variable, non-thermal radi-
ation around periastron on the highly eccentric orbit (e = 0.87) visible from radio
to very high energies (VHE; E > 100GeV). When being detected in TeV γ-rays
with the High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.) in 2004 it became known as
the first variable galactic VHE source.
This thesis presents VHE data from PSR B1259−63 as taken during the years 2005,
2006 and before as well as shortly after the 2007 periastron passage. These data
extend the knowledge of the lightcurve of this object to all phases of the binary
orbit. The lightcurve constrains physical mechanisms present in this TeV source.
ObservationsofVHEγ-rayswiththeH.E.S.S.telescopearrayusingtheImagingAt-
mospheric Cherenkov Technique were performed. The H.E.S.S. instrument features
◦an angular resolution of < 0.1 and an energy resolution of < 20 %. Gamma-ray
events in an energy range of 0.5− 70TeV were recorded. From these data, energy
spectra and lightcurve with a monthly time sampling were extracted.
VHE γ-ray emission from PSRB1259−63 was detected with an overall significance
of 9.5 standard deviations using 55h of exposure, obtained from April to August
2007. The monthly flux of γ-rays during the observation period was measured,
yielding VHE lightcurve data for the early pre-periastron phase of the system for
the first time. No spectral variability was found on timescales of months. The spec-
trum is described by a power law with a photon index of Γ = 2.8± 0.2 ± 0.2sysstat
−1−12 −2 −1and flux normalisation Φ = (1.1± 0.1 ± 0.2 )× 10 TeV cm s .0 sysstat
PSRB1259−63 was also monitored in 2005 and 2006, far from periastron passage,
comprising 8.9h and 7.5h of exposure, respectively. No significant excess of γ-rays
is seen in those observations.
PSRB1259−63 has been re-confirmed as a variable TeV γ-ray emitter. The firm
detection of VHE photons emitted at a true anomalyθ≈−0.35 of the pulsar orbit,
i.e. already∼ 50 days prior to the periastron passage, disfavors the stellar disc tar-
get scenario as a primary emission mechanism, based on current knowledge about
the companion star’s disc inclination, extension, and density profile.
In a phenomenological study indirect evidence that PSRB1259−63 could in fact be
a periodical VHE emitter is presented using the TeV data discussed in this work.
While the TeV energy flux level seems to be only dependent on the binary sepa-
ration this behavior is not seen in X-rays. Moreover, model calculations based on
inverse compton (IC) scattering of shock accelerated pulsar wind electrons and UV
photons were performed. The model presented accounts for non-radiative losses
possibly at work in the region where the pulsar wind is shocked by stellar outflows
and particles are accelerated to very high energies. The presented results show a
peculiar non-radiative cooling profile around periastron dominating the VHE emis-
sion in PSRB1259−63. The discrepancy between the γ-ray and X-ray lightcurves
could be a sign for synchrotron radiation as origin of the X-ray emission.
Keywords:
VHE gamma-rays, gamma-ray astronomy - H.E.S.S., TeV binaries, pulsars -
PSRB1259−63
ivZusammenfassung
PSRB1259−63/SS2883 ist ein Binärsystem in welchem ein Pulsar mit 48 ms Pe-
riodendauer um einen massereichen Be-Stern mit einer Umlaufdauer von 3.4 Jahren
kreist. Dieses System weist variable, nicht thermische Strahlung um den Periastron
des hoch exzentrischen Orbits (e = 0.87) auf, welche vom Radiobereich bis zu sehr
hohen Energien (engl. very-high-energy VHE; E > 100GeV) sichtbar ist. Seit das
System in TeV γ-Strahlung im Jahr 2004 mit dem High Energy Stereoscopic Sys-
tem (H.E.S.S.) erstmals detektiert wurde, gilt es als erste variable galaktische VHE
Quelle.
Die vorliegende Dissertation präsentiert VHE Daten des Systems PSR B1259−63,
gemessen in den Jahren 2005, 2006 b.z.w.vor und kurz nach dem Periastron im
Jahr 2007. Diese Daten erweitern das Wissen um die Lichtkurve dieses Objektes
über alle Phasen der Umlaufbahn. Die Lichtkurvendaten tragen zur Einschränkung
möglicher physikalischer Prozesse in dieser TeV Quelle bei.
Es wurden Beobachtungen von VHE γ-Strahlung mit den H.E.S.S. Teleskopen, die
auf Grundlage der bildgebenden atmospherischen Cherenkov Technik funktionieren,
◦durchgeführt. H.E.S.S. verfügt über eine Winkelauflösung von < 0.1 und eine En-
ergieauflösung von< 20 %. Es wurdenγ-Strahlungsereignisse in einem Energiebere-
ich von 0.5− 70TeV gemessen. Aus diesen Daten wurden Energiespektren und eine
Lichtkurve mit monatlicher Zeitauflösung gewonnen.
Von PSRB1259−63 wurde, unter Verwendung von 55h Detektorzeit von April bis
August 2007, VHE γ-Strahlung mit einer Gesamtsignifikanz von 9.5 Standardab-
weichungen detektiert. Der monatliche Fluss an γ-Photonen wurde innerhalb der
Beobachtungszeit vermessen was erstmals zu VHE Lichtkurvendaten noch weit vor
dem Periastron des Systems führte. Es wurde keine spektrale Variabilität auf einer
monatlichen Zeitskala gefunden. Das differentielle Energiespektrum ist durch ein
Potenzgesetz mit einem Photonenindex von Γ = 2.8± 0.2 ± 0.2 und ein-sysstat
−12 −1 −2 −1er Flussnormalisierung von Φ = (1.1± 0.1 ± 0.2 )× 10 TeV cm s0 sysstat
beschreibbar.
PSRB1259−63 wurde auch in den Jahren 2005 und 2006 mit einer Messdauer von
jeweils 8.9h und 7.5h überwacht, weit weg vom Periastron. Hierbei war kein sig-
nifikanter Überschuss an γ-Strahlung über Untergrund zu verzeichnen.
PSRB1259−63 konnte als variable TeV γ-Strahlungsquelle bestätigt werden. Die
zuverlässige Detektion von VHE Photonen, die bei einer wahren Anomalie des Pul-