TY - THES A1 - Lypova, Iryna T1 - The galactic plane in gamma-rays above 10 TeV as seen with H.E.S.S. N2 - The High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.) is an array of five imaging atmospheric Cherenkov telescopes located in the Khomas Highland of Namibia. H.E.S.S. operates in a wide energy range from several tens of GeV to several tens of TeV, reaching the best sensitivity around 1 TeV or at lower energies. However, there are many important topics – such as the search for Galactic PeVatrons, the study of gamma-ray production scenarios for sources (hadronic vs. leptonic), EBL absorption studies – which require good sensitivity at energies above 10 TeV. This work aims at improving the sensitivity of H.E.S.S. and increasing the gamma-ray statistics at high energies. The study investigates an enlargement of the H.E.S.S. effective field of view using events with larger offset angles in the analysis. The greatest challenges in the analysis of large-offset events are a degradation of the reconstruction accuracy and a rise of the background rate as the offset angle increases. The more sophisticated direction reconstruction method (DISP) and improvements to the standard background rejection technique, which by themselves are effective ways to increase the gamma-ray statistics and improve the sensitivity of the analysis, are implemented to overcome the above-mentioned issues. As a result, the angular resolution at the preselection level is improved by 5 - 10% for events at 0.5◦ offset angle and by 20 - 30% for events at 2◦ offset angle. The background rate at large offset angles is decreased nearly to a level typical for offset angles below 2.5◦. Thereby, sensitivity improvements of 10 - 20% are achieved for the proposed analysis compared to the standard analysis at small offset angles. Developed analysis also allows for the usage of events at large offset angles up to approximately 4◦, which was not possible before. This analysis method is applied to the analysis of the Galactic plane data above 10 TeV. As a result, 40 sources out of the 78 presented in the H.E.S.S. Galactic plane survey (HGPS) are detected above 10 TeV. Among them are representatives of all source classes that are present in the HGPS catalogue; namely, binary systems, supernova remnants, pulsar wind nebulae and composite objects. The potential of the improved analysis method is demonstrated by investigating the more than 10 TeV emission for two objects: the region associated with the shell-type SNR HESS J1731−347 and the PWN candidate associated with PSR J0855−4644 that is coincident with Vela Junior (HESS J0852−463). N2 - H.E.S.S. ist eine System von fünf abbildenden atmosphärischen Cherenkov Teleskopen im Khomas-Hochland von Namibia. H.E.S.S. arbeitet in einem weiten Energiebereich von einigen zehn GeV bis zu einigen zehn TeV und erreicht die beste Sensitivität um 1TeV oder bei niedrigeren Energien. Es gibt jedoch viele wichtige Themen – wie die Suche nach galaktischen PeVatrons, die Untersuchung von Gammastrahlen-Produktionsszenarien für Quellen (hadronische vs. leptonische), EBL-Absorptionsstudien – die eine gute Sensitivität bei Energien oberhalb von 10TeV erfordern. Diese Arbeit zielt darauf ab die Sensitivität von H.E.S.S. zu verbessern und die Gammastrahlenstatistik bei Energien über 10TeV zu erhöhen. Untersucht diese Studie das effektive Gesichtsfeld von H.E.S.S. durch die Verwendung von Ereignissen mit größeren Versatzwinkeln in der Analyse (insbesondere bis zu 4° anstelle von 2.5°) zu vergrößern. Die größten Herausforderungen bei der Analyse von Ereignissen mit großem Versatzwinkeln sind eine Verschlechterung der Rekonstruktionsgenauigkeit und ein Anstieg der Hintergrundrate mit zunehmendem Versatzwinkeln. Die ausgefeiltere Richtungsrekonstruktionsmethode (DISP) und Verbesserungen der Standard-Hintergrundunterdrückungstechnik (die selbst auch wirksame Methode zur Erhöhung der Gammastrahlenstatistik und zur Verbesserung der Sensitivität der Analyse sind) sind zur Überwindung der oben genannten Probleme eingesetzt. Infolgedessen wird die Winkelauflösung auf der Vorselektionsebene um 5 - 10% für 0.5° und um 20 - 30% für 2° Versatzwinkeln verbessert. Die Hintergrundrate bei großen Versatzwinkeln wird fast auf ein Niveau gesenkt, das bei Versatzwinkeln unter 2.5° typisch ist. Letztendlich erreicht die hierentwickelte Analysis eine ein um 10 - 20% verbesserte Sensitivität bei kleinen Versatzwinkeln und erlaubt die Verwendung von Ereignissen bei großen Versatzwinkeln bis zu etwa 4°, was vorher nicht möglich war. Diese Analysemethode wird bei der Analyse der Daten der Galaktischen Ebene oberhalb von 10TeV angewandt. Als Ergebnis werden 40 der 78 Quellen, die in der H.E.S.S. Durchmusterung der Galaktischen Ebene (HGPS) vorgestellt wurden, oberhalb von 10TeV detektiert und charakterisiert. Darunter befinden sich Vertreter aller Quellklassen, die im HGPS-Katalog etabliert sind. Das Potenzial der verbesserten Analysemethode wird auch durch die Untersuchung der Emission oberhalb von 10TeV für zwei Objekte demonstriert: die Region, die mit dem Schalenüberrest SNR HESS J1731-347 assoziiert ist, und der PWN-Kandidat, der mit PSR J0855-4644 assoziiert ist und mit HESS J0852-463 zusammenfällt. KW - gamma-ray astronomy KW - H.E.S.S. KW - astroparticle physics KW - Galactic plane data analysis KW - Datenanalyse der Galaktischen Ebene KW - H.E.S.S KW - Astroteilchenphysik KW - Gammastrahlungsastronomie Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-509317 ER - TY - JOUR A1 - Steppa, Constantin A1 - Egberts, Kathrin T1 - Modelling the Galactic very-high-energy gamma-ray source population JF - Astronomy and astrophysics : an international weekly journal N2 - Context. The High Energy Stereoscopic System Galactic plane survey (HGPS) is to date the most comprehensive census of Galactic gamma -ray sources at very high energies (VHE; 100 GeV <= E <= 100 TeV). As a consequence of the limited sensitivity of this survey, the 78 detected gamma -ray sources comprise only a small and biased subsample of the overall population. The larger part consists of currently unresolved sources, which contribute to large-scale diffuse emission to a still uncertain amount.Aims. We study the VHE gamma -ray source population in the Milky Way. For this purpose population-synthesis models are derived based on the distributions of source positions, extents, and luminosities.Methods. Several azimuth-symmetric and spiral-arm models are compared for spatial source distribution. The luminosity and radius function of the population are derived from the source properties of the HGPS data set and are corrected for the sensitivity bias of the HGPS. Based on these models, VHE source populations are simulated and the subsets of sources detectable according to the HGPS are compared with HGPS sources.Results. The power-law indices of luminosity and radius functions are determined to range between -1.6 and -1.9 for luminosity and -1.1 and -1.6 for radius. A two-arm spiral structure with central bar is discarded as spatial distribution of VHE sources, while azimuth-symmetric distributions and a distribution following a four-arm spiral structure without bar describe the HGPS data reasonably well. The total number of Galactic VHE sources is predicted to be in the range from 800 to 7000 with a total luminosity and flux of (1.6-6.3) x 10(36) ph s(-1) and (3-15) x 10(-10) ph cm(-2) s(-1), respectively.Conclusions. Depending on the model, the HGPS sample accounts for (68-87)% of the emission of the population in the scanned region. This suggests that unresolved sources represent a critical component of the diffuse emission measurable in the HGPS. With the foreseen jump in sensitivity of the Cherenkov Telescope Array, the number of detectable sources is predicted to increase by a factor between 5 and 9. KW - astroparticle physics KW - gamma rays: general KW - gamma rays: diffuse KW - background KW - methods: observational KW - methods: numerical Y1 - 2020 U6 - https://doi.org/10.1051/0004-6361/202038172 SN - 0004-6361 SN - 1432-0746 VL - 643 PB - EDP Sciences CY - Les Ulis ER - TY - THES A1 - Wechakama, Maneenate T1 - Multi-messenger constraints and pressure from dark matter annihilation into electron-positron pairs T1 - Multi-Messenger-Grenzen und Druck von Dunkler Materie-Annihilation in Elektron-Positron-Paaren N2 - Despite striking evidence for the existence of dark matter from astrophysical observations, dark matter has still escaped any direct or indirect detection until today. Therefore a proof for its existence and the revelation of its nature belongs to one of the most intriguing challenges of nowadays cosmology and particle physics. The present work tries to investigate the nature of dark matter through indirect signatures from dark matter annihilation into electron-positron pairs in two different ways, pressure from dark matter annihilation and multi-messenger constraints on the dark matter annihilation cross-section. We focus on dark matter annihilation into electron-positron pairs and adopt a model-independent approach, where all the electrons and positrons are injected with the same initial energy E_0 ~ m_dm*c^2. The propagation of these particles is determined by solving the diffusion-loss equation, considering inverse Compton scattering, synchrotron radiation, Coulomb collisions, bremsstrahlung, and ionization. The first part of this work, focusing on pressure from dark matter annihilation, demonstrates that dark matter annihilation into electron-positron pairs may affect the observed rotation curve by a significant amount. The injection rate of this calculation is constrained by INTEGRAL, Fermi, and H.E.S.S. data. The pressure of the relativistic electron-positron gas is computed from the energy spectrum predicted by the diffusion-loss equation. For values of the gas density and magnetic field that are representative of the Milky Way, it is estimated that the pressure gradients are strong enough to balance gravity in the central parts if E_0 < 1 GeV. The exact value depends somewhat on the astrophysical parameters, and it changes dramatically with the slope of the dark matter density profile. For very steep slopes, as those expected from adiabatic contraction, the rotation curves of spiral galaxies would be affected on kiloparsec scales for most values of E_0. By comparing the predicted rotation curves with observations of dwarf and low surface brightness galaxies, we show that the pressure from dark matter annihilation may improve the agreement between theory and observations in some cases, but it also imposes severe constraints on the model parameters (most notably, the inner slope of the halo density profile, as well as the mass and the annihilation cross-section of dark matter particles into electron-positron pairs). In the second part, upper limits on the dark matter annihilation cross-section into electron-positron pairs are obtained by combining observed data at different wavelengths (from Haslam, WMAP, and Fermi all-sky intensity maps) with recent measurements of the electron and positron spectra in the solar neighbourhood by PAMELA, Fermi, and H.E.S.S.. We consider synchrotron emission in the radio and microwave bands, as well as inverse Compton scattering and final-state radiation at gamma-ray energies. For most values of the model parameters, the tightest constraints are imposed by the local positron spectrum and synchrotron emission from the central regions of the Galaxy. According to our results, the annihilation cross-section should not be higher than the canonical value for a thermal relic if the mass of the dark matter candidate is smaller than a few GeV. In addition, we also derive a stringent upper limit on the inner logarithmic slope α of the density profile of the Milky Way dark matter halo (α < 1 if m_dm < 5 GeV, α < 1.3 if m_dm < 100 GeV and α < 1.5 if m_dm < 2 TeV) assuming a dark matter annihilation cross-section into electron-positron pairs (σv) = 3*10^−26 cm^3 s^−1, as predicted for thermal relics from the big bang. N2 - Trotz vieler Hinweise auf die Existenz von dunkler Materie durch astrophysikalische Beobachtungen hat sich die dunkle Materie bis heute einem direkten oder indirekten Nachweis entzogen. Daher gehrt der Nachweis ihrer Existenz und die Enthüllung ihrer Natur zu einem der faszinierensten Herausforderungen der heutigen Kosmologie und Teilchenphysik. Diese Arbeit versucht die Natur von dunkler Materie durch indirekte Signaturen von der Paarzerstrahlung dunkler Materie in Elektron-Positronpaare auf zwei verschiedene Weisen zu untersuchen, nämlich anhand des Drucks durch die Paarzerstrahlung dunkler Materie und durch Grenzen des Wirkungsquerschnitts für die Paarzerstrahlung dunkler Materie aus verschiedenen Beobachtungsbereichen. Wir konzentrieren uns dabei auf die Zerstrahlung dunkler Materie in Elektron-Positron-Paare und betrachten einen modellunabhängigen Fall, bei dem alle Elektronen und Positronen mit der gleichen Anfangsenergie E_0 ~ m_dm*c^2 injiziert werden. Die Fortbewegung dieser Teilchen wird dabei bestimmt durch die Lösung der Diffusions-Verlust-Gleichung unter Berücksichtigung von inverser Compton-Streuung, Synchrotronstrahlung, Coulomb-Streuung, Bremsstrahlung und Ionisation. Der erste Teil dieser Arbeit zeigt, dass die Zerstrahlung dunkler Materie in Elektron-Positron-Paare die gemessene Rotationskurve signifikant beeinflussen kann. Die Produktionsrate ist dabei durch Daten von INTEGRAL, Fermi und H.E.S.S. begrenzt. Der Druck des relativistischen Elektron-Positron Gases wird aus dem Energiespektrum errechnet, welches durch die Diffusions-Verlust-Gleichung bestimmt ist. Für Werte der Gasdichte und des magnetischen Feldes, welche für unsere Galaxie repräsentativ sind, lässt sich abschätzen, dass für E_0 < 1 GeV die Druckgradienten stark genug sind, um Gravitationskräfte auszugleichen. Die genauen Werte hängen von den verwendeten astrophysikalischen Parametern ab, und sie ändern sich stark mit dem Anstieg des dunklen Materie-Profils. Für sehr große Anstiege, wie sie für adiabatische Kontraktion erwartet werden, werden die Rotationskurven von Spiralgalaxien auf Skalen von einegen Kiloparsek für die meisten Werte von E_0 beeinflusst. Durch Vergleich der erwarteten Rotationskurven mit Beobachtungen von Zwerggalaxien und Galaxien geringer Oberflächentemperatur zeigen wir, dass der Druck von Zerstrahlung dunkler Materie die Übereinstimmung von Theorie und Beobachtung in einigen Fällen verbessern kann. Aber daraus resultieren auch starke Grenzen für die Modellparameter - vor allem für den inneren Anstieg des Halo-Dichteprofils, sowie die Masse und den Wirkungsquerschnitt der dunklen Materie-Teilchen. Im zweiten Teil werden obere Grenzen für die Wirkungsquerschnitte der Zerstrahlung der dunkler Materie in Elektron-Positron-Paare erhalten, indem die beobachteten Daten bei unterschiedlichen Wellenlängen (von Haslam, WMAP und Fermi) mit aktuellen Messungen von Elektron-Positron Spektren in der solaren Nachbarschaft durch PAMELA, Fermi und H.E.S.S. kombiniert werden. Wir betrachten Synchrotronemission bei Radiound Mikrowellenfrequenzen, sowie inverse Compton-Streuung und Final-State-Strahlung bei Energien im Bereich der Gamma-Strahlung. Für die meisten Werte der Modellparameter werden die stärksten Schranken durch das lokale Positron-Spektrum und die Synchrotronemission im Zentrum unser Galaxie bestimmt. Nach diesen Ergebnissen sollte der Wirkungsquerschnitt für die Paarzerstrahlung nicht größer als der kanonische Wert für thermische Relikte sein, wenn die Masse der dunklen Materie-Kandidaten kleiner als einige GeV ist. Zusätzlich leiten wir eine obere Grenze für den inneren logarithmische Anstieg α des Dichteprofiles des dunklen Materie Halos unserer Galaxie ab. KW - dunkle Materie KW - Astroteilchenphysik KW - Strahlung Mechanismen KW - Galaxy Struktur KW - Rotationskurven KW - dark matter KW - astroparticle physics KW - radiation mechanisms KW - galaxy structure KW - rotation curves Y1 - 2013 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-67401 ER - TY - JOUR A1 - Werhahn, Maria A1 - Pfrommer, Christoph A1 - Girichidis, Philipp A1 - Puchwein, Ewald A1 - Pakmor, Rüdiger T1 - Cosmic rays and non-thermal emission in simulated galaxies BT - I. Electron and proton spectra compared to Voyager-1 data JF - Monthly notices of the Royal Astronomical Society N2 - Current-day cosmic ray (CR) propagation studies use static Milky Way models and fit parametrized source distributions to data. Instead, we use three-dimensional magnetohydrodynamic (MHD) simulations of isolated galaxies with the moving-mesh code arepo that self-consistently accounts for hydrodynamic effects of CR protons. In post-processing, we calculate their steady-state spectra, taking into account all relevant loss processes. We show that this steady-state assumption is well justified in the disc and generally for regions that emit non-thermal radio and gamma rays. Additionally, we model the spectra of primary electrons, accelerated by supernova remnants, and secondary electrons and positrons produced in hadronic CR proton interactions with the gas. We find that proton spectra above 10 GeV only weakly depend on galactic radius, while they acquire a radial dependence at lower energies due to Coulomb interactions. Radiative losses steepen the spectra of primary CR electrons in the central galactic regions, while diffusive losses dominate in the outskirts. Secondary electrons exhibit a steeper spectrum than primaries because they originate from the transported steeper CR proton spectra. Consistent with Voyager-1 and AMS-02 data, our models (i) show a turnover of proton spectra below GeV energies due to Coulomb interactions so that electrons start to dominate the total particle spectra and (ii) match the shape of the positron fraction up to 10 GeV. We conclude that our steady-state CR modelling in MHD CR galaxy simulations is sufficiently realistic to capture the dominant transport effects shaping their spectra, arguing for a full MHD treatment to accurately model CR transport in the future. KW - astroparticle physics KW - MHD KW - methods: numerical KW - cosmic rays KW - local KW - interstellar matter Y1 - 2021 U6 - https://doi.org/10.1093/mnras/stab1324 SN - 0035-8711 SN - 1365-2966 VL - 505 IS - 3 SP - 3273 EP - 3294 PB - Oxford University Press CY - Oxford ER -