Analysis of hard X-ray emission from selected very high energy gamma-ray sources observed with INTEGRAL

Abstract

A few years ago, the era of very high energy gamma-ray astronomy started, when the 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 are supernova remnants and active galactic nuclei, but also pulsar wind nebulae and a few binaries. One widely discussed open question is, how these sources are able to accelerate particles to such high energies. The understanding of the underlying particle distribution, the acceleration processes taking place, and the knowledge of the radiation processes which produce the observed emission, 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 the compact object is still not known, and it was proposed either to be a microquasar system or a non-accreting pulsar system. The observed TeV emission is 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 was worthwhile. Since LS 5039 is a faint source and the sky region where it is located is crowded, a very careful, non-standard handling of the INTEGRAL data was necessary, and a cross-checking with other analysis methods was essential to provide reliable results. We found that LS 5039 is emitting in the hard X-ray energy range. A flux rate and an upper flux limit, dependent on orbital phase, were determined for the energy range 25-200 keV. For the inferior conjunction phase, also a spectrum was obtained and found to be well described by a power law with a photon index of 2.0 +/- 0.2. Our main result is that the hard X-ray emission is modulated with the orbit and this modulation is comparatively in phase with the TeV emission. Although the results of the INTEGRAL analysis are not able to distinguish between the microquasar and the pulsar scenario, they rule out a simple explanation of the TeV variability as a consequence of pure photon-photon absorption. In our work we, therefore, discuss possible alternatives like adiabatic cooling of the electrons as a reason for the correlated modulation. In this case the variability is simply a result of the orbital motion and the larger factor of modulation in the TeV range is caused by additional processes like gamma-gamma absorption and anisotropic inverse Compton scattering.

In the second part of this thesis, the keV-TeV connection of three rotation-powered pulsar wind nebulae (RPWN) is studied. The analysis is focussed on RPWN which have been detected as TeV plerions and two mosaics are created which include PSR J0835-4510 (Vela), PSR J1513-5908 (MSH 15-52) and PSR J1420-6048 (Kookaburra). Only a few per cent of the RPWN observed by INTEGRAL have been identified with young or middle-aged pulsars. The analysis of archival INTEGRAL data, in addition to the already known INTEGRAL sources, reveals an evidence of hard X-ray emission at the position of PSR J1420-6048 from the ''Kookaburra'' TeV plerion G313.3+0.6. The pulsar PSR J1420-6048 belongs to the class of middle-aged pulsars where the RPWN interacts with the reverse shock of the supernova remnant.

Altogether, this analysis indicates a deeper link between these TeV plerions and INTEGRAL detected pulsar wind nebulae.

The last part of the thesis is devoted to a systematic analysis of the mosaic obtained for the region around LS 5039. In the first place only seen as a byproduct, the 3 x 10^6 s deep INTEGRAL observation is worthwhile to be studied on its own. All public H.E.S.S. sources and all INTEGRAL sources located in the field of view are listed. One source in particular attracted our attention. This is the accreting pulsating neutron star system AX J1820.5-1434. The luminosity of this source seems to vary in phase with LS 5039. By analysing the RXTE / ASM data, this is found to be a result of a coincidence between high flux states of AX J1820.5-1434 and the inferior conjunction phase interval chosen for LS 5039.

Die Ära der sehr hochenergetischen Gammastrahlungsastronomie begann vor wenigen Jahren, als die neueste Generation der die Atmosphäre abbildenden Cherenkov Teleskope (IACT), wie bspw. HESS, ihre Arbeit aufnahm und einzelne TeV-Quellen aufgelöst werden konnten. Durch Beobachtungen in vielen verschiedenen Wellenlängenbereichen können diese Quellen identifiziert werden, woraus sich ergab, daß die entdeckten Quellen Supernovaüberreste und Kerne aktiver Galaxien, aber auch Pulsarwindnebel und einige wenige Doppelsternsysteme sind. Eine der noch offenen und intensiv diskutierten Fragen ist, wie diese Quellen in der Lage sind, Teilchen zu solch hohen Energien zu beschleunigen. Das Verständnis der zu Grunde liegenden Teilchenverteilung und der stattfindenden Beschleunigungsprozesse sowie die Kenntnis über die Strahlungsprozesse, welche die beobachtete Strahlung erzeugen, ist deshalb von entscheidender Bedeutung. Die Beobachtung der harten Röntgenstrahlung kann ein Schlüssel sein, um Informationen über die Teilchenverteilungen und die stattfindenden Prozesse zu erhalten. Wichtig für diese Arbeit sind der TeV und der harte Röntgenbereich. Es wurden Daten der Instrumente HESS und INTEGRAL verwendet.

Der Hauptteil dieser Arbeit ist dem Röntgendoppelsternsystem LS 5039 / RX J1826.2-1450 gewidmet. Die Natur des kompakten Objekts ist noch immer unbekannt. Es wurden sowohl ein Mikroquasarsystem als auch ein nicht-akkretierendes Pulsarsystem als möglicher Objekttyp vorgeschlagen. Die beobachtete TeV-Emission moduliert mit der orbitalen Bewegung. Verschiedene Erklärungen für diese Variabilität wurden in den letzten Jahren diskutiert. Die INTEGRAL-Beobachtungen, die in dieser Arbeit präsentiert werden, liefern neue Informationen, um eine Antwort auf diese Frage zu finden. Darum war der Nachweis einer Detektion im harten Röntgenbereich und die Suche nach einer orbitalen Abhängigkeit erstrebenswert. Da jedoch LS 5039 eine sehr schwache Quelle ist und der Himmelsausschnitt, in dem sie sich befindet, sehr viele weitere Quellen enthält, war, neben einer sehr umsichtigen, nicht dem standardisierten Vorgehen folgenden Auswertung der INTEGRAL-Daten, auch eine Gegenprobe mit anderen Analysemethoden erforderlich, um verlässliche Resultate zu erzielen. Wir fanden, daß LS 5039 im harten Röntgenbereich Strahlung emittiert. Für den Energiebereich 25-200 keV konnte eine Flußrate und eine obere Flußgrenze abhängig von der orbitalen Phase bestimmt werden. Für die Phase der unteren Konjunktion wurde zudem ein Spektrum gewonnen werden. Das wichtigste Ergebnis unserer Analyse ist jedoch, daß die harte Röntgenstrahlung innerhalb eines Umlaufs variiert und daß diese Modulation verhältnismäßig gut mit der TeV-Emission in Phase ist.

Obwohl die Ergebnisse der INTEGRAL-Analyse keine Entscheidung zwischen dem Mikroquasar- und dem Pulsarszenario zulassen, läßt sich mit ihrer Hilfe die einfache Erklärung, daß die TeV-Variabilität eine Folge reiner Photon-Photon-Absorption sei, ausschließen. Daher diskutieren wir in dieser Arbeit mögliche alternative Erklärungen wie die adiabatische Kühlung von Elektronen als Ursache für die korrelierte Modulation. In diesem Fall ist die Variabilität einfach ein Resultat der orbitalen Bewegung, und der größere Faktor der Modulation im TeV-Energiebereich wird durch zusätzliche Prozesse wie Absorption und die Anisotropie der inverse Comptonstreuung verursacht.

Im zweiten Teil dieser Arbeit wird die keV-TeV-Verbindung von drei durch Rotation angetriebene Pulsarwindnebel (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 INTEGRAL beobachteten RPWNs wurden als junge Pulsare oder Pulsare mittleren Alters identifiziert. Die Analyse der archivierten INTEGRAL-Daten weisen auf eine harte Röntgenemission an der Position von PSR J1420-6048 im ''Kookaburra'' TeV Plerion G313.3+0.6 hin, zusätzlich zu den schon bekannten INTEGRAL-Quellen. Alles in allem deutet diese Analyse auf einen tieferen Zusammenhang zwischen TeV Plerions und Pulsarwindnebeln, die mit INTEGRAL entdeckt wurden, hin.

Den letzten Teil dieser Arbeit widmen wir einer systematischen Analyse des für die Region um LS 5039 erzeugten Mosaikbildes. Alle bekannten HESS-Quellen und alle INTEGRAL-Quellen, die sich im Gesichtsfeld befinden, werden aufgelistet. Insbesondere zieht aber eine Quelle die Aufmerksamkeit auf sich: das akkretierende und pulsierende Neutronensternsystem AX J1820.5-1434. Die Leuchtkraft von AX J1820.5-1434 scheint mit den Phasen von LS 5039 zu variieren. Die Analyse von RXTE / ASM Daten ergibt daß dies ein Resultat des zufälligen Zusammentreffens zwischen hohen Flußzuständen von AX J1820.5-1434 und des gewählten Phasenintervals der unteren Konjunktion von LS 5039 ist.