Study of supernova remnants with H.E.S.S. and analysis of prototype data of the FlashCam Cherenkov Camera

Abstract

This thesis will present the results of two data analysis projects conducted in the framework of the H.E.S.S. (High Energy Stereoscopic System) Collaboration. H.E.S.S. is a system of five Cherenkov telescopes located in Namibia, which detect VHE (Very High Energy) γ-rays from Galactic and Extragalactic sources. Both of the presented projects focus on Galactic supernova remnants (SNRs), which are among the astrophysical objects known to emit VHE γ -rays. Supernova remnants are the remains of a star exploding into a so-called supernova. More precisely, due to the explosion, the outer layers of the pre-supernova star are ejected at high velocity and particles are accelerated by the shock wave up to very high energies, hundreds of times higher than those reached at the Large Hadron Collider (LHC), currently the most powerful particle accelerator on Earth. One of the key reasons why SNRs are of particular interest in the astrophysics community is that they are believed to be responsible for the production and acceleration of the bulk of Galactic Cosmic Rays (CRs) (hydrogen and helium nuclei and heavier particles). In this context, VHE γ-rays produced by the interaction of the supernova ejecta with the ambient medium provide a clean tracer to probe this hypothesis, though a definite answer on the topic is yet to be found. Given these premises, this work is structured as follows: Chapter 1 will provide an introduction on VHE γ-ray astronomy. The driving idea is to try and follow a sequence of questions. How does the sky actually look in VHE γ-rays? How are the latter produced? Where do they come from, i.e., which are the astrophysical sources that produce them? How can we detect them? Chapter 2 focuses on the search for new supernova remnants in our Galaxy with the H.E.S.S. experiment. In the energy range covered with H.E.S.S., the only way to identify new supernova remnant candidates is by their shell-like appearance. The idea of this work was then to scan the H.E.S.S. dataset looking for shell-like structures and see if they could be confirmed as supernova remnants. This morphological search criterion is not new in the astrophysics community; however, it was the first time, to our knowledge, in which it was successfully applied to VHE γ-ray data. The search led to the identification of three new significant shell structures; one of them could be confirmed as supernova remnant. Chapter 3 presents a second analysis project involving the study of a supernova remnant and of its surroundings. As mentioned above, VHE γ-rays can be produced in the interaction between CRs accelerated at a supernova remnant shock-front and the ambient medium (consisting of both atomic and molecular gas). Therefore, if the VHE γ-ray emission from a supernova remnant or from its neighborhood is found to be coincident with known dense gas regions, this shows that such a process is likely taking place. Having this in mind, a correlation study between the VHE γ-ray and gas emission from the supernova remnant HESS J1731−347 region was carried out. The physical implications of the outcome of this study are then discussed. Finally, a glance at the future. The Astronomy and Astrophysics Institute of the University of Tübingen is currently contributing to the development of the next-generation ground-based VHE γ-ray telescopes, the Cherenkov Telescope Array (CTA). One of the projects concerns the realization of the focal plane instrument for one of the telescope types foreseen by CTA. In this context, an analysis of prototype data was performed. This thesis concludes with an overview of the main results obtained so far (Chapter 4).

In dieser Dissertation werden die Ergebnisse von zwei Datenanalyse-Projekten vorgestellt, die im Rahmen der H.E.S.S. (High Energy Stereoscopic System) Kollaboration durchgeführt wurden. H.E.S.S. ist ein System aus fünf Cherenkov-Teleskopen in Namibia, die VHE (Very High Energy) Gammastrahlung aus galaktischen und extragalaktischen Quellen detektieren. Beide vorgestellten Projekte konzentrieren sich auf galaktische Supernovaüberreste (Supernova remnants, SNRs), astrophysikalische Objekte, von denen bekannt ist, dass sie VHE Gammastrahlung ausstrahlen. Supernovaüberreste sind die Überbleibsel eines Sterns, der als Supernova explodiert ist. Durch die Explosion wurden die äußeren Schichten des Prä-Supernova-Sterns mit hoher Geschwindigkeit ausgestoßen, und durch die Shockwelle wurden Teilchen auf sehr hohe Energien beschleunigt; die erreichten Energien sind hundertfach höher als beim Large Hadron Collider (LHC), dem stärksten von Menschen gebauten Teilchenbeschleuniger der Erde. SNRs sind besonders interessant, weil sie wahrscheinlich für die Produktion und Beschleunigung der Kosmischen Strahlung (Wasserstoff- und Heliumkerne sowie schwerere Teilchen) verantwortlich sind. In diesem Zusammenhang bietet VHE-Gammastrahlung, durch die Wechselwirkung der ausgestoßenen Materie mit dem Umgebungsmedium erzeugt wird, eine Möglichkeit, um diese Hypothese zu untersuchen, wobei eine eindeutige Antwort auf das Thema noch nicht gefunden werden konnte. Die vorliegende Arbeit ist wie folgt strukturiert: Kapitel 1 enthält eine Einführung in die VHE Gammastrahlen-Astronomie. Diese orientiert sich dabei an den folgenden Fragen: Wie sieht der Himmel im Bereich der VHE-Gammastrahlung aus? Wie wird diese produziert? Woher kommt sie, d.h. aus welchen astrophysikalischen Quellen stammt sie? Wie können wir sie detektieren? Kapitel 2 beschäftigt sich mit der Suche nach neuen Supernovaüberresten in unserer Galaxie mit dem H.E.S.S. Experiment. Im Energiebereich, der mit H.E.S.S. abgedeckt wird, ist der einzige Weg um neue Supernovaüberrestkandidaten zu identifizieren, ihr ringförmiges Aussehen. Die Idee dieser Arbeit ist deswegen, den H.E.S.S. Datensatz zu untersuchen, um ringförmige Strukturen zu finden, und sehen, ob sie als Supernovaüberreste klassifiziert werden könnten. Dieses morphologische Suchkriterium ist in der astrophysikalischen Gemeinschaft nicht neu; es war jedoch unseres Wissens das erste Mal, dass es erfolgreich auf VHE-Gammastrahlung-Daten angewendet wurde. Die Suche führte zur Identifizierung von drei neuen signifikanten Strukturen; eine konnte als Supernovaüberrest bestätigt werden. In Kapitel 3 wird ein zweites Datenanalyse-Projekt vorgestellt, bei dem ein Supernovaüberrest und seine Umgebung untersucht werden. Wie oben erwähnt, könnte VHE-Gammastrahlung in der Wechselwirkung zwischen CRs, die an der Shockwelle eines Supernovaüberrests beschleunigt werden, und dem Umgebungsmedium (bestehend aus atomarem und molekularem Gas) erzeugt werden. Wenn sich herausstellt, dass die VHE-Gammastrahlung eines Supernovaüberrests oder seiner Umgebung mit bekannten Regionen mit dichtem Gas zusammenfällt, zeigt dies, dass wahrscheinlich ein solcher Prozess stattfindet. Vor diesem Hintergrund wurde eine Korrelationsstudie zwischen der VHE-Gammastrahlung und der Gasemission aus dem Supernovaüberrest HESS J1731-347 durchgeführt. Anschließend werden die Implikationen des Ergebnisses dieser Studie diskutiert. Zum Schluss noch ein Blick in die Zukunft. Das Institut für Astronomie und Astrophysik der Universität Tübingen leistet derzeit einen Beitrag zur Entwicklung der bodengestützten Gammateleskope der nächsten Generation, des Cherenkov Telescope Array (CTA). Eines der Projekte betrifft die Realisierung des Fokalinstruments für einen der von CTA vorgese- henen Teleskoptypen. In diesem Zusammenhang wurde eine Analyse von Prototypdaten durchgeführt. Diese Arbeit schließt mit einem Überblick über die wichtigsten bisher erzielten Ergebnisse (Kapitel 4).