Very high energy gamma rays from the binary pulsar PSR B1259-63 [Elektronische Ressource] / von Stefan Schlenker

Stefan Schlenker

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• Astronomie

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• Publié par: humboldt-universitat_zu_berlin
• Publié le: 01 janvier 2005
• Nombre de lectures: 7
• Langue: English
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Extrait

VeryHighEnergyGammaRaysfromtheBinary
PulsarPSRB1259−63
DISSERTATION
zurErlangungdesakademischenGrades
doctorrerumnaturalium
(Dr.rer.nat.)
imFachPhysik
eingereichtander
Mathematisch NaturwissenschaftlichenFakultätI
Humboldt UniversitätzuBerlin
von
HerrDipl. Phys.StefanSchlenker
geborenam31.3.1977inBerlin
PräsidentderHumboldt UniversitätzuBerlin:
Prof.Dr.JürgenMlynek
DekanderMathematisch NaturwissenschaftlichenFakultätI:
Prof.ThomasBuckhout,PhD
Gutachter:
1. Prof.Dr.WernerHofmann
2. Prof.Dr.ThomasLohse
3. Prof.Dr.HermannKolanoski
eingereichtam: 20.April2005
TagdermündlichenPrüfung: 12.Juli2005Abstract
Thisworkreportsonthediscoveryofveryhighenergy(VHE)γ rayemissionofthebinary
systemPSRB1259−63/SS2883,consistingofaradiopulsarorbitingamassive,luminousstar
in a highly eccentric orbit. The observations of the binary system in the first half of 2004
were performed with the High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.), a system of imaging
atmospheric Cherenkov telescopes, recently installed in Namibia and in full operation since
December2003. TheinstrumentcollectstheCherenkovlightemittedbyairshowerswhichare
induced by the interaction of cosmic γ rays with the upper atmosphere. This technique allows
11 14to detect γ rays with energies ranging from 10 to 10 electron Volts, and to reconstruct their
◦directionandenergywithanangularresolutionoflessthan0.1 andenergyresolutionofbetter
than20%,respectively.
Prior to the detection of VHE γ rays from PSRB1259 −63/SS2883, the system served as
a candidate for the acceleration of particles to TeV energies. The acceleration is believed to
take place in plasma shocks produced by the interaction of the relativistic pulsar wind with the
massivestellarwindsofthecompanionstar. TheVHEγ raysignalfromthebinarysystemwas
detected with a total significance above 13σ. This detection provides the first unambiguous
evidence for particle acceleration to multi TeV energies in this binary system. The measured
−Γtime averaged energy spectrum can be described by a power law d N/dE ∝ E with a photon
indexΓ= 2.7±0.2 ±0.2 suggestingthattheemissionisproducedbyinverseComptonscat stat sys
teringofshock acceleratedelectronsandpositronsonthethermalphotonsemittedbySS2883.
Theγ rayfluxwasfoundtovarysignificantlyontimescalesofdayswhichmakesPSRB1259
63 the first variable galactic source of VHE γ rays observed so far and gives valuable insights
intothedynamicsofpulsarwindsinteractingwithachangingenvironment.
Keywords:
Gamma rays: observations,Pulsars: individual: PSRB1259 −63,Instrumentation: Cherenkov
telescopes,Instrumentation: DataacquisitionZusammenfassung
Diese Arbeit beschreibt die Entdeckung von hochenergetischer Gammastrahlung aus Rich
tung des Binärsystems PSRB1259−63/SS2883. Die Beobachtungen dieses Systems von ei
nem Radio Pulsar, der sich auf einer stark exzentrischen Umlaufbahn um einen schweren und
hellen Stern befindet, wurden mit dem High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.) in der
ersten Hälfte des Jahres 2004 durchgeführt. H.E.S.S. ist ein System von abbildenden atmo
sphärischen Cherenkov Teleskopen in Namibia, das im Dezember 2003 vollständig in Betrieb
genommenwurde.DieWechselwirkungderkosmischenGammastrahlenmitderoberenAtmo
sphäre erzeugt Luftschauer von relativistischen Sekundärteilchen, deren Cherenkov Emission
von den Teleskopen des Systems nachgewiesen wird. Mit dieser Methode kann die Richtung
12einzelner Gammaquanten mit Energien zwischen 0.1 und 100TeV (10 Elektronenvolt) mit
◦einerWinkelauflösungvonwenigerals0.1 unddieEnergiemiteinerAuflösungvonbesserals
20%bestimmtwerden.
Vorder Entdeckung von TeV Gammastrahlung ausRichtung vonPSRB1259 −63/SS2883
galtdiesesSystemalseinaussichtsreicherKandidatfürdieBeschleunigungvongeladenenTeil
chen auf Energien oberhalb von 1TeV. Es wurde angenommen, dass die Wechselwirkung des
relativistischen Pulsarwindes mit dem Sternenwind des Begleitsterns massive Plasmaschocks
erzeugt,indenendieBeschleunigungerfolgt.DurchdieH.E.S.S.BeobachtungenwurdeeinSi
gnalvonPhotonenimTeV BereichmiteinerstatistischenSignifikanzvonüber13 σgemessen
und somit wurde die von Teilchen auf TeV Energien innerhalb des Binärsy
stemserstmaligzweifelsfreinachgewiesen.DasgemesseneEnergiespektrumkannimzeitlichen
−ΓMittel mit einem Potenzgesetz dN/dE ∝ E mit dem PhotonenindexΓ= 2.7±0.2 ±0.2stat sys
beschrieben werden. Diese Form des Spektrums weist auf eine Erzeugung der Gammastrah-
lung durch inverse Compton Streuung von schock beschleunigten Elektronen und Positronen
mit den Photonen der thermischen Strahlung von SS2883 hin. Die gemessene Variation des
Flusses der Gammastrahlung auf einer Zeitskala von Tagen ist bisher einmalig für eine ga
laktische Quelle von TeV Photonen und ermöglicht erstmalig Einblicke in die Dynamik der
WechselwirkungeinesPulsarwindesmiteinersichänderndenUmgebung.
Schlagwörter:
Gammastrahlung:Beobachtung,Pulsare:individuell:PSRB1259−63,Detektoren:
Cherenkov Teleskope,Detektoren:DatennahmesystemContents
1 Introduction 1
2 HighEnergyPhenomenainthePSRB1259−63System 5
2.1 PulsarsandPulsarWindNebulae . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.1.1 NeutronStarFormation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.1.2 PulsarMagnetosphere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.1.3WindsandAssociatedNebulae . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.1.4 TheNon ThermalEmissionoftheCrabNebula . . . . . . . . . . . . . 11
2.2 TheBinarySystemofPSRB1259−63/SS2883 . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.2.1 BinarySystemEvolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.2.2 BeStars . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.2.3 PSRB1259−63anditsCompanionSS2883 . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.3 Non ThermalEmissionofPSRB1259 −63/SS2883 . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.3.1 TransientUnpulsedRadioEmission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.3.2 ObservationsatX andSoft γ RayEnergies . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.3.3 ShockAccelerationofElectrons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.4 VHEγ RaysfromPSRB1259 −63/SS2883? . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.4.1 InverseComptonEmissionofUltra RelativisticElectrons . . . . . . . 28
2.4.2 ShockAccelerationofStellarWindParticles . . . . . . . . . . . . . . 32
2.4.3 PreviousObservationsinVHEγ Rays . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3 TheHighEnergyStereoscopicSystem 34
3.1 ImagingAtmosphericCherenkovTechnique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.1.1 AirShowers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.1.2 CherenkovEmissionofAirShowers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.1.3 DetectionPrinciple . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.2 TheH.E.S.S.Instrument . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.2.1 SiteLocation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.2.2 TelescopeMechanicsandTrackingSystem . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.2.3 Optics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.2.4 Camera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.2.5 Trigger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.2.6 AtmosphericMonitoring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.2.7 CentralDataAcquisitionSystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.3 MonteCarloSimulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
ivCONTENTS v
3.3.1 ShowerSimulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.3.2 Detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.3.3 SampleofSimulatedγ RaysUsedintheDataAnalysis . . . . . . . . . 48
4 DataSelectionandReduction 50
4.1 ObservationsofthePSRB1259−63System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4.2 Calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.2.1 ReadoutWindowTiming . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.2.2 IntensityDetermination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.2.3 MuonEfficiencies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.2.4 PointingCorrections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
4.2.5 DeadTimeCorrection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.3 DataQualitySelection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.3.1 CloudMonitoring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.3.2 AirShowerTrigger/AcquisitionRate . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
4.3.3 CameraCalibration–UnusablePixels . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
4.3.4 PointingAccuracy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.4 ShowerReconstruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.4.1 ImageParametrisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.4.2 GeometricShowerReconstruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.4.3 AccuracyoftheShowerMethods . . . . . . . . . . . . 63
4.4.4 EnergyReconstruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.5 BackgroundReduction–γ Hadron Separation . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.5.1 EventSelectionbasedonImag