TY - THES A1 - Pfrang, Konstantin Johannes T1 - Search for light primordial black holes with VERITAS using gamma γ-ray and optical observations T1 - Suche nach leichten primordialen Schwarzen Löchern mit VERITAS anhand von Gammastrahlen- und optischen Beobachtungen N2 - The Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System (VERITAS) is an array of four imaging atmospheric Cherenkov telescopes (IACTs). VERITAS is sensitive to very-high-energy gamma-rays in the range of 100 GeV to >30 TeV. Hypothesized primordial black holes (PBHs) are attractive targets for IACTs. If they exist, their potential cosmological impact reaches beyond the candidacy for constituents of dark matter. The sublunar mass window is the largest unconstrained range of PBH masses. This thesis aims to develop novel concepts searching for light PBHs with VERITAS. PBHs below the sublunar window lose mass due to Hawking radiation. They would evaporate at the end of their lifetime, leading to a short burst of gamma-rays. If PBHs formed at about 10^15 g, the evaporation would occur nowadays. Detecting these signals might not only confirm the existence of PBHs but also prove the theory of Hawking radiation. This thesis probes archival VERITAS data recorded between 2012 and 2021 for possible PBH signals. This work presents a new automatic approach to assess the quality of the VERITAS data. The array-trigger rate and far infrared temperature are well suited to identify periods with poor data quality. These are masked by time cuts to obtain a consistent and clean dataset which contains about 4222 hours. The PBH evaporations could occur at any location in the field of view or time within this data. Only a blind search can be performed to identify these short signals. This thesis implements a data-driven deep learning based method to search for short transient signals with VERITAS. It does not depend on the modelling of the effective area and radial acceptance. This work presents the first application of this method to actual observational IACT data. This thesis develops new concepts dealing with the specifics of the data and the transient detection method. These are reflected in the developed data preparation pipeline and search strategies. After correction for trial factors, no candidate PBH evaporation is found in the data. Thus, new constraints of the local rate of PBH evaporations are derived. At the 99% confidence limit it is below <1.07 * 10^5 pc^-3 yr^-1. This constraint with the new, independent analysis approach is in the range of existing limits for the evaporation rate. This thesis also investigates an alternative novel approach to searching for PBHs with IACTs. Above the sublunar window, the PBH abundance is constrained by optical microlensing studies. The sampling speed, which is of order of minutes to hours for traditional optical telescopes, is a limiting factor in expanding the limits to lower masses. IACTs are also powerful instruments for fast transient optical astronomy with up to O(ns) sampling. This thesis investigates whether IACTs might constrain the sublunar window with optical microlensing observations. This study confirms that, in principle, the fast sampling speed might allow extending microlensing searches into the sublunar mass window. However, the limiting factor for IACTs is the modest sensitivity to detect changes in optical fluxes. This thesis presents the expected rate of detectable events for VERITAS as well as prospects of possible future next-generation IACTs. For VERITAS, the rate of detectable microlensing events in the sublunar range is ~10^-6 per year of observation time. The future prospects for a 100 times more sensitive instrument are at ~0.05 events per year. N2 - Das Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System (VERITAS) ist ein Instrument mit vier atmosphärischen Cherenkov-Teleskopen (IACTs). VERITAS ist empfindlich für sehr hoch-energetische gamma-Strahlung im Bereich von 100 GeV bis >30 TeV. Hypothetische primordiale Schwarze Löcher (PBHs) sind interessante Ziele für IACTs. Falls sie existieren, könnte ihr potentieller kosmologischer Einfluss über die Möglichkeit, dass sie ein Bestandteil der dunklen Materie sind, hinausgehen. Der größte nicht eingeschränkte Bereich der PBH-Massen ist das sublunare Fenster. Das Ziel dieser Arbeit ist es, neue Konzepte für die Suche nach leichten PBHs mit VERITAS zu entwickeln. Durch die Hawking-Strahlung verlieren PBHs unterhalb des sublunaren Fensters an Masse. Am Ende ihrer Lebenszeit verdampfen diese, was einen kurzen Ausbruch an gamma-Strahlung verursacht. Falls PBHs mit ~10^15 g entstanden sind, würde sich dieser Ausbruch in der heutigen Zeit ereignen. Der Nachweis dieser Signale könnte nicht nur die Existenz von PBHs bestätigen, sondern auch die Theorie der Hawking-Strahlung beweisen. In dieser Arbeit werden VERITAS-Daten aus den Jahren 2012 bis 2021 auf mögliche PBH-Signale untersucht. Es wird ein neuer automatisierter Ansatz zur Beurteilung der Qualität der VERITAS-Daten vorgestellt. Die Array-Trigger-Rate und die ferne Infrarot-Temperatur sind gut geeignet, um Zeiträume mit schlechter Datenqualität zu identifizieren. Diese werden maskiert, um einen konsistenten Datensatz zu erhalten, der etwa 4222 Stunden umfasst. Die PBH-Verdampfungen könnten an jeder beliebigen Stelle im Sichtfeld oder zu jeder beliebigen Zeit innerhalb dieser Daten auftreten. Zur Identifizierung dieser kurzen Signale kann nur eine Blindsuche durchgeführt werden. In dieser Arbeit wird eine datengestützte, auf Deep Learning basierende Methode zur Suche nach kurzen vorübergehenden Signalen mit VERITAS implementiert. Die Methode ist nicht von der Modellierung der effektiven Fläche und der radialen Akzeptanz abhängig. Diese Arbeit präsentiert die erste Anwendung dieser Methode mit echten IACT-Beobachtungsdaten. In dieser Arbeit werden neue Konzepte entwickelt, die sich mit den Besonderheiten der Daten und der Methode befassen. Sie spiegeln sich in der entwickelten Datenvorbereitung und den Suchstrategien wider. Nach Korrektur der Versuchsfaktoren wird in den Daten kein Kandidat für PBH-Verdampfung gefunden. Daher wird die lokale Rate von PBH-Verdampfungen auf unter <1.07 * 10^5 pc^-3 yr^-1 an der 99%-Konfidenzgrenze beschränkt. Dieses Limit, welches mit dem neuen, unabhängigen Analyseansatz erreicht wurde, liegt im Bereich der bestehenden Grenzwerte für die Verdunstungsrate. In dieser Arbeit wird auch ein alternativer neuer Ansatz für die Suche nach PBHs mit IACTs untersucht. Oberhalb des sublunaren Fensters wird die Existenz von PBHs durch optische Mikrolensing-Studien eingeschränkt. Für niedrige Massen ist die Abtastgeschwindigkeit, die bei herkömmlichen optischen Teleskopen in der Größenordnung von Minuten bis Stunden liegt, ein limitierender Faktor. IACTs sind auch leistungsstarke Instrumente für die schnelle optische Astronomie mit Abtastraten von bis zu O(ns). In dieser Arbeit wird untersucht, ob IACTs das sublunare Fenster mit optischen Mikrolensing-Beobachtungen beschränken könnten. Diese Studie bestätigt, dass die schnelle Abtastgeschwindigkeit eine Ausweitung der Mikrolensing-Suche auf das sublunare Massenfenster ermöglichen könnte. Der begrenzende Faktor für IACTs ist jedoch die eingeschränkte Empfindlichkeit, um Änderungen im optischen Fluss zu detektieren. In dieser Arbeit werden die erwarteten Raten der nachweisbaren Ereignisse für VERITAS sowie für mögliche zukünftige IACTs der nächsten Generation vorgestellt. Für VERITAS beträgt die Rate der nachweisbaren Microlensing-Ereignisse im sublunaren Bereich ~10^-6 pro Jahr. Die Zukunftsaussichten für ein 100-mal empfindlicheres Instrument liegen bei ~0,05 Ereignissen pro Jahr. KW - PBH KW - dark matter KW - primordial black holes KW - microlensing KW - gamma-rays KW - deep learning KW - LSTM KW - LSTM KW - PBH KW - Dunkle Materie KW - Deep Learning KW - Gammastrahlung KW - Microlensing KW - Primordiale Schwarzen Löchern Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-587266 ER - TY - THES A1 - Hoischen, Clemens T1 - Multi-Messenger Astronomy with H.E.S.S: the Starburst Galaxy NGC253 and the Search for Short Time-Scale Transients T1 - Multi-Botenteilchen-Astronomie mit H.E.S.S: die Starburstgalaxie NGC 253 und die Suche nach kurzzeit-Transienten N2 - Gamma-ray astronomy has proven to provide unique insights into cosmic-ray accelerators in the past few decades. By combining information at the highest photon energies with the entire electromagnetic spectrum in multi-wavelength studies, detailed knowledge of non-thermal particle populations in astronomical objects and systems has been gained: Many individual classes of gamma-ray sources could be identified inside our galaxy and outside of it. Different sources were found to exhibit a wide range of temporal evolution, ranging from seconds to stable behaviours over many years of observations. With the dawn of both neutrino- and gravitational wave astronomy, additional messengers have come into play over the last years. This development presents the advent of multi-messenger astronomy: a novel approach not only to search for sources of cosmic rays, but for astronomy in general. In this thesis, both traditional multi-wavelength studies and multi-messenger studies will be presented. They were carried out with the H.E.S.S. experiment, an imaging air Cherenkov telescope array located in the Khomas Highland of Namibia. H.E.S.S. has entered its second phase in 2012 with the addition of a large, fifth telescope. While the initial array was limited to the study of gamma-rays with energies above 100 GeV, the new instrument allows to access gamma-rays with energies down to a few tens of GeV. Strengths of the multi-wavelength approach will be demonstrated at the example of the galaxy NGC253, which is undergoing an episode of enhanced star-formation. The gamma-ray emission will be discussed in light of all the information on this system available from radio, infrared and X-rays. These wavelengths reveal detailed information on the population of supernova remnants, which are suspected cosmic-ray accelerators. A broad-band gamma-ray spectrum is derived from H.E.S.S. and Fermi-LAT data. The improved analysis of H.E.S.S. data provides a measurement which is no longer dominated by systematic uncertainties. The long-term behaviour of cosmic rays in the starburst galaxy NGC253 is finally characterised. In contrast to the long time-scale evolution of a starburst galaxy, multi-messenger studies are especially intriguing when shorter time-scales are being probed. A prime example of a short time-scale transient are Gamma Ray Bursts. The efforts to understand this phenomenon effectively founded the branch of gamma-ray astronomy. The multi-messenger approach allows for the study of illusive phenomena such as Gamma Ray Bursts and other transients using electromagnetic radiation, neutrinos, cosmic rays and gravitational waves contemporaneously. With contemporaneous observations getting more important just recently, the execution of such observation campaigns still presents a big challenge due to the different limitations and strengths of the infrastructures. An alert system for transient phenomena has been developed over the course of this thesis for H.E.S.S. It aims to address many follow-up challenges in order to maximise the science return of the new large telescope, which is able to repoint much faster than the initial four telescopes. The system allows for fully automated observations based on scientific alerts from any wavelength or messenger and allows H.E.S.S. to participate in multi-messenger campaigns. Utilising this new system, many interesting multi-messenger observation campaigns have been performed. Several highlight observations with H.E.S.S. are analysed, presented and discussed in this work. Among them are observations of Gamma Ray Bursts with low latency and low energy threshold, the follow-up of a neutrino candidate in spatial coincidence with a flaring active galactic nucleus and of the merger of two neutron stars, which was revealed by the coincidence of gravitational waves and a Gamma-Ray Burst. N2 - Die Gammaastronomie hat sich in den letzten Jahrzehnten als eine wichtige Disziplin für die Suche nach den Beschleunigern der kosmischen Strahlung erwiesen. Dabei ergänzt die Gamma-Strahlung das Bild, welches wir aus Multi-Wellenlängen Studien gewonnen haben ausgezeichnet. Kürzlich sind die beiden neuen astronomischen Boten, Neutrinos und Gravitationswellen, zugänglich geworden. Diese liefern tiefere und neue Erkenntnisse über wichtige Prozesse im Universum und markiert die Geburt der Multi-Botenteilchen Astronomie: eine Form der Astronomie welche Gebrauch vom gesamten elektromagnetischen Spektrum, sowie von kosmischer Strahlung, Neutrinos und auch Gravitationswellen macht. In dieser Arbeit werden sowohl traditionelle Multi-Wellenlängen Studien, als auch neue Multi-Botenteilchen Studien präsentiert. Dabei wird gebrauch von Daten des H.E.S.S. Experiments gemacht: eine Gruppe von abbildenden Cherenkov-Teleskopen in Namibia. Im Jahr 2012 ist H.E.S.S. in die zweite Operationsphase eingetreten: ein neues, großes Teleskop wurde hinzugefügt welches es erlaubt Gamma-Strahlung mit Energien in der Größenordnung von wenigen zehn GeV zu messen. Der Multi-Wellenlängen Ansatz wird an dem Beispiel der Galaxie NGC253 demonstriert. Diese Galaxy befindet sich in einer Episode mit erhöhter Stern-Erzeugungsrate. Die Gamma-Strahlung, welche von dieser Galaxie gemessen wurde, wird im Zusammenhang mit Informationen über dieses System diskutiert die aus Radio, Infrarot und Röntgenstrahlung gewonnen wurden. Diese geben Aufschluss über die große Population von Supernova Überresten, welche exzellente Kandidaten für Beschleuniger von kosmischer Strahlung sind. Ein Breitband Gamma-Strahlungs-Spektrum wurde mit Hilfe von H.E.S.S. und Fermi-LAT Daten zusammengesetzt. Die verbesserte Analyse der H.E.S.S. Daten erzielt eine Messung die nicht mehr von systematischen Unsicherheiten dominiert wird. Anhand des kombinierte Spektrum wird das Verhalten der kosmischen Strahlung in der Galaxy NGC253 diskutiert. Im Gegensatz zum Langzeitverhalten von einer Galaxie wie NGC253, erweisen sich Multi-Botenteilchen Studien als besonders interessant für transiente Phänomene. Gleichzeitige Beobachtungen von Gamma-Strahlung und weiteren Botenteilchen können neue Erkenntnisse über beispielsweise Gammastrahlungsausbrüche oder die Quellen von Astrophysikalischen Neutrinos geben. Da gleichzeitige Beobachtungen in der Gammaastronomie erst seit kurzem immer wichtiger werden, stellen solche Beobachtungskampagnen aktuell eine Herausforderung dar. Um die Herausforderungen zu überwinden und gleichzeitig die wissenschaftlichen Studien, für die das neue große Teleskop von H.E.S.S. besonders geeignet ist, zu maximieren, wurde im Rahmen dieser Arbeit ein Alarmsystem für transiente Ereignisse entwickelt. Mit der Hilfe dieses neuen Systems konnten bereits viele interessante Beobachtungen durchgeführt werden. Einige der Interessantesten werden in dieser Arbeit vorgestellt und diskutiert. Darunter sind Beobachtungen von Gammastrahlungsausbrüchen mit kleinen zeitlichen Latenzen und niedriger Energieschwelle, die Nachbeobachtung eines Neutrino Kandidaten welcher räumlich mit einem Aktiven Galaxien Kern, der vorübergehend eine erhöhte Aktivität aufwies, zusammenfiel, sowie Beobachtungen vom Verschmelzen zweier Neutronensterne, was durch Gravitationswellen und einen gleichzeitigen Gammastrahlungsausbruch identifiziert werden konnte. KW - gamma-rays KW - astronomy KW - astro-particle physics KW - multi-messenger astronomy KW - Gamma-Strahlen KW - Astronomie KW - Astroteilchenphysik KW - Multi-Botenteilchen Astronomie Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-424521 ER -