TY - THES A1 - Schrön, Martin T1 - Cosmic-ray neutron sensing and its applications to soil and land surface hydrology T1 - Neutronen aus kosmischer Strahlung und deren Anwendung für Boden- und Landoberflächen-Hydrologie BT - on neutron physics, method development, and soil moisture estimation across scales N2 - Water scarcity, adaption on climate change, and risk assessment of droughts and floods are critical topics for science and society these days. Monitoring and modeling of the hydrological cycle are a prerequisite to understand and predict the consequences for weather and agriculture. As soil water storage plays a key role for partitioning of water fluxes between the atmosphere, biosphere, and lithosphere, measurement techniques are required to estimate soil moisture states from small to large scales. The method of cosmic-ray neutron sensing (CRNS) promises to close the gap between point-scale and remote-sensing observations, as its footprint was reported to be 30 ha. However, the methodology is rather young and requires highly interdisciplinary research to understand and interpret the response of neutrons to soil moisture. In this work, the signal of nine detectors has been systematically compared, and correction approaches have been revised to account for meteorological and geomagnetic variations. Neutron transport simulations have been consulted to precisely characterize the sensitive footprint area, which turned out to be 6--18 ha, highly local, and temporally dynamic. These results have been experimentally confirmed by the significant influence of water bodies and dry roads. Furthermore, mobile measurements on agricultural fields and across different land use types were able to accurately capture the various soil moisture states. It has been further demonstrated that the corresponding spatial and temporal neutron data can be beneficial for mesoscale hydrological modeling. Finally, first tests with a gyrocopter have proven the concept of airborne neutron sensing, where increased footprints are able to overcome local effects. This dissertation not only bridges the gap between scales of soil moisture measurements. It also establishes a close connection between the two worlds of observers and modelers, and further aims to combine the disciplines of particle physics, geophysics, and soil hydrology to thoroughly explore the potential and limits of the CRNS method. N2 - Wasserknappheit, Anpassung an Klimaveränderungen, und Gefahrenabschätzungen von Dürren und Fluten sind heutzutage dringende Themen für Forschung und Gesellschaft. Vorallem um die Auswirkungen auf Wetter und Landwirtschaft zu verstehen und vorherzusagen, ist es wichtig, den Wasserkreislauf der Erde zu beobachten und zu simulieren. In diesem System spielt Bodenfeuchte eine Schlüsselrolle, welche den Wasseraustausch zwischen Boden, Luft, und Pflanzen bestimmt. Daher sind ausgeklügelte Messtechnologien erforderlich, welche Bodenfeuchte von kleinen Ackerschlägen bis hin zu großen Gebieten erfassen können. Die neuartige Methode, Neutronen aus kosmischer Strahlung zu messen (CRNS), ist eine vielversprechende Technologie um die Lücke zwischen Punktmessungen und Fernerkundungen zu schließen, da der Einflussbereich des Sensors bei ca. 30 ha liegen soll. Allerdings ist intensive interdisziplinäre Forschung nötig, um die Beziehung zwischen Neutronen und Bodefeuchte zu verstehen. In dieser Arbeit wurden erstmals verschiedene Sensoren systematisch miteinander verglichen, und die bisherigen Korrekturen für meteorologische und geomagnetische Einflüsse näher untersucht. Darüber hinaus wurden Simulationen der Neutronenphysik herangezogen, um den Einflussbereich des Sensors genauestens zu charakterisieren. Demnach ist der Sensor je nach Umgebungsfeuchte hauptsächlich in der Fläche von ca. 6--18 ha, sowie besonders im Nahbereich, sensitiv. Diese Resultate konnten durch Experimente nahe Gewässern und Straßen bestätigt werden. Dennoch ist die Methode nachwievor sehr gut in der Lage, die Bodenfeuchte in Ackerflächen, Grasland und auch Wäldern zu erfassen. Zudem wurde gezeigt, dass sich die räumlichen und zeitlichen Neutronen-Daten gut für die hydrologische Modellierung eignen. Abschließend wurde eine neue Möglichkeit untersucht, um Neutronen aus der Luft mit einem Traghubschrauber in noch größeren Gebieten zu messen. Diese Dissertation untersucht die CRNS-Methode auf verschiedenen Skalen, und verknüpft dabei Beobachtung mit Modellierung. Außerdem verbindet diese Arbeit die verschiedenen Disziplinen der Teilchenphysik, Geophysik, und Bodenhydrologie, um das Potential und die Grenzen der Methode ganzheitlich zu beurteilen. KW - soil moisture KW - hydrology KW - cosmic rays KW - neutrons KW - water monitoring KW - Bodenfeuchte KW - Hydrologie KW - kosmische Strahlung KW - Neutronen KW - Wasser-Monitoring Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-395433 SN - 978-3-8439-3139-7 PB - Verlag Dr. Hut GmbH CY - München ER - TY - THES A1 - Stachlewska, Iwona Sylwia T1 - Investigation of tropospheric arctic aerosol and mixed-phase clouds using airborne lidar technique T1 - Untersuchung der tropospherischen arktischen Aerosolen und Mixed-Phase Wolken mit der Flugzeuggetragenen Lidar Technik N2 - An Airborne Mobile Aerosol Lidar (AMALi) was constructed and built at Alfred-Wegener-Institute for Polar and Marine Research (AWI) in Potsdam, Germany for the lower tropospheric aerosol and cloud research under tough arctic conditions. The system was successfully used during two AWI airborne field campaigns, ASTAR 2004 and SVALEX 2005, performed in vicinity of Spitsbergen in the Arctic. The novel evaluation schemes, the Two-Stream Inversion and the Iterative Airborne Inversion, were applied to the obtained lidar data. Thereby, calculation of the particle extinction and backscatter coefficient profiles with corresponding lidar ratio profiles characteristic for the arctic air was possible. The comparison of these lidar results with the results of other in-situ and remote instrumentation (ground based Koldewey Aerosol Raman Lidar (KARL), sunphotometer, radiosounding, satellite imagery) allowed to provided clean contra polluted (Arctic Haze) characteristics of the arctic aerosols. Moreover, the data interpretation by means of the ECMWF Operational Analyses and small-scale dispersion model EULAG allowed studying the effects of the Spitsbergens orography on the aerosol load in the Planetary Boundary Layer. With respect to the cloud studies a new methodology of alternated remote AMALi measurements with the airborne in-situ cloud optical and microphysical parameters measurements was proved feasible for the low density mixed-phase cloud studies. An example of such approach during observation of the natural cloud seeding (feeder-seeder phenomenon) with ice crystals precipitating into the lower supercooled stratocumulus deck were discussed in terms of the lidar signal intensity profiles and corresponding depolarisation ratio profiles. For parts of the cloud system characterised by almost negligible multiple scattering the calculation of the particle backscatter coefficient profiles was possible using the lidar ratio information obtained from the in-situ measurements in ice-crystal cloud and water cloud. N2 - Das Airborne Mobile Aerosol Lidar (AMALi) wurde am Alfred-Wegener-Institut für Polar- und Meeresforschung in Potsdam für die Untersuchung arktischer Aerosole und Wolken der unteren Troposphäre entwickelt und gebaut. Das AMALi wurde erfolgreich in zwei AWI Flugzeugmesskampagnen, der ASTAR 2004 und der SvalEx 2005, die in Spitzbergen in der Arktis durchgeführt wurden, eingesetzt. Zwei neue Lidar Datenauswertungsmethoden wurden implementiert: die Two-Stream Inversion und die Iterative Airborne Inversion. Damit erwies sich die Berechnung der Profile der Teilchen Rückstreu- und Extinktionskoeffizienten mit einem entsprechenden Lidar Verhältnis, das charakteristisch für arktische Luft ist, als möglich. Der Vergleich dieser Auswertungen mit den Resultaten, die mit verschiedenen Fernerkundungs- und In-situ Instrumenten gewonnen worden waren (stationäres Koldewey Aerosol Raman Lidar KARL, Sonnenphotometer, Radiosondierung und Satellitenbilder) ermöglichten die Interpretation der Lidar-Resultate und eine Charakterisierung sowohl der reinen als auch der verschmutzten Luft. Außerdem konnten die Lidardaten mit operationellen ECMWF Daten und dem kleinskaligen Dispersionsmodel EULAG verglichen werden. Dadurch konnte der Einfluss der Spitzbergener Orographie auf die Aerosolladung der Planetaren Grenzschicht untersucht werden. Für Wolkenmessungen wurde eine neue Methode der alternativen Fernerkundung mit dem AMALi und flugzeuggetragenen In-situ Messgeräten verwendet, um optische und mikrophysikalische Eigenschaften der Wolken zu bestimmen. Diese Methode wurde erfolgreich implementiert und auf Mixed-Phase Wolken geringer optischen Dicke angewendet. Ein Beispiel hier stellt das Besamen der Wolken (sogenannte Feeder-Seeder Effekt) dar, bei dem Eiskristalle in eine niedrige unterkühlte Stratokumulus fallen. Dabei konnten Lidarsignale, Intensitätsprofile und die Volumendepolarisation gemessen werden. Zusätzlich konnten in den weniger dichten Bereichen der Wolken, in denen Vielfachstreuung vernachlässigbar ist, auch Profile des Teilchen Rückstreukoeffizienten berechnet werden, wobei Lidarverhältnisse genommen wurden, die aus In-situ Messungen für Wasser- und Eiswolken ermittelt wurden. KW - Aerosol KW - Lidar KW - Flugzeug Lidar KW - Aerosol und Wolken Lidar KW - Arktische Nebel KW - EULAG Model KW - Airborne Aerosol and Cloud Lidar KW - Arctic Haze KW - Two-stream Lidar Inversion KW - Iterative Airborne Lidar Inversion KW - EULAG Model Y1 - 2005 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-6984 ER - TY - THES A1 - Federici, Simone T1 - Gamma-ray studies of the young shell-type SNR RX J1713.7-3946 T1 - Untersuchung im Gamma-Strahlungsbereich des schalenartigen Supernova-Überrests RX J1713.7−3946 N2 - One of the most significant current discussions in Astrophysics relates to the origin of high-energy cosmic rays. According to our current knowledge, the abundance distribution of the elements in cosmic rays at their point of origin indicates, within plausible error limits, that they were initially formed by nuclear processes in the interiors of stars. It is also believed that their energy distribution up to 1018 eV has Galactic origins. But even though the knowledge about potential sources of cosmic rays is quite poor above „ 1015 eV, that is the “knee” of the cosmic-ray spectrum, up to the knee there seems to be a wide consensus that supernova remnants are the most likely candidates. Evidence of this comes from observations of non-thermal X-ray radiation, requiring synchrotron electrons with energies up to 1014 eV, exactly in the remnant of supernovae. To date, however, there is not conclusive evidence that they produce nuclei, the dominant component of cosmic rays, in addition to electrons. In light of this dearth of evidence, γ-ray observations from supernova remnants can offer the most promising direct way to confirm whether or not these astrophysical objects are indeed the main source of cosmic-ray nuclei below the knee. Recent observations with space- and ground-based observatories have established shell-type supernova remnants as GeV-to- TeV γ-ray sources. The interpretation of these observations is however complicated by the different radiation processes, leptonic and hadronic, that can produce similar fluxes in this energy band rendering ambiguous the nature of the emission itself. The aim of this work is to develop a deeper understanding of these radiation processes from a particular shell-type supernova remnant, namely RX J1713.7–3946, using observations of the LAT instrument onboard the Fermi Gamma-Ray Space Telescope. Furthermore, to obtain accurate spectra and morphology maps of the emission associated with this supernova remnant, an improved model of the diffuse Galactic γ-ray emission background is developed. The analyses of RX J1713.7–3946 carried out with this improved background show that the hard Fermi-LAT spectrum cannot be ascribed to the hadronic emission, leading thus to the conclusion that the leptonic scenario is instead the most natural picture for the high-energy γ-ray emission of RX J1713.7–3946. The leptonic scenario however does not rule out the possibility that cosmic-ray nuclei are accelerated in this supernova remnant, but it suggests that the ambient density may not be high enough to produce a significant hadronic γ-ray emission. Further investigations involving other supernova remnants using the improved back- ground developed in this work could allow compelling population studies, and hence prove or disprove the origin of Galactic cosmic-ray nuclei in these astrophysical objects. A break- through regarding the identification of the radiation mechanisms could be lastly achieved with a new generation of instruments such as CTA. N2 - Eine der gegenwärtigen bedeutendsten geführten Diskussionen in der Astrophysik bezieht sich auf den Ursprung der hochenergetischen Kosmischen Strahlung. Nach unserem heutigen Verständnis weist die am Ort des Ursprungs elementare Zusam- mensetzung der Kosmischen Strahlung darauf hin, dass diese zu Beginn mittels nuklearer Prozesse im Inneren von Sternen gebildet wurde. Weiterhin wird ange- nommen, dass die Kosmische Strahlung bis 1018 eV galaktischen Ursprungs ist. Auch wenn das Verständnis über die potentiellen Quellen der Kosmischen Strahlung ober- halb von 1015 eV, dem sogenannten „Knie“ des Spektrums der Kosmischen Strah- lung, lückenhaft ist, so liegt doch der Konsens vor, dass Supernovaüberreste (SNR) die wahrscheinlichsten Quellen für Energien bis 1015 eV sind. Unterstützt wird die- ser Sachverhalt durch Beobachtungen von nichtthermischer Röntgenstrahlung von SNR, deren Emission Elektronen mit Energien bis zu 1014 eV erfordern. Jedoch gibt es bis heute keinen überzeugenden Beweis, dass SNR zusätzlich zu den Elektronen auch Atomkerne, die den dominierenden Anteil in der Kosmischen Strahlung bilden, beschleunigen. Trotz fehlender überzeugender Beweise ermöglichen nun Beobachtungen von SNR im γ-Strahlungsbereich einen vielversprechenden Weg zur Aufklärung der Fra- ge, ob diese astrophysikalischen Objekte in der Tat die Hauptquelle der Kosmischen Strahlung unterhalb des Knies sind. Kürzlich durchgeführte Beobachtungen im Welt- raum und auf der Erdoberfläche haben zu der Erkenntnis geführt, dass schalenartige SNR γ-Strahlung im GeV- und TeV-Bereich emittieren. Die Interpretation dieser Beobachtungen ist jedoch schwierig, da sowohl Atomkerne als auch Elektronen im betrachteten Energiebereich zu ähnlichen γ-Emissionen führen. Dadurch wird die eindeutige Identifizierung der Emission als das Resultat hadronischer oder leptoni- scher Emissionsprozesse erschwert. Das Ziel dieser Arbeit ist es, am Beispiel des schalenartigen SNR RX J1713.7- 3946 ein tieferes Verständnis über die Strahlungsprozesse zu erhalten, indem vom γ-Weltraumteleskop Fermi durchgeführte Beobachtungen analysiert werden. Um ge- naue Spektren und die Ausdehnung der Region der Emission zu erhalten, wird ein verbessertes Modell für die diffuse galaktische γ-Hintergrundstrahlung entwickelt. Die mit diesem verbesserten Hintergrund durchgeführte Analyse von RX J1713.7- 3946 zeigt, dass das vom Fermi-Satelliten beobachtete Spektrum nicht dem hadro- nischen Szenario zugeschrieben werden kann, sodass das leptonische Szenario für die γ-Emissionen von diesem SNR verantwortlich ist. Das leptonische Szenario schließt jedoch nicht die Möglichkeit aus, dass auch Atomkerne in diesem SNR beschleu- nigt werden. Aber es deutet darauf hin, dass die umgebende Teilchendichte nicht ausreichend hoch genug ist, um zu einer signifikanten hadronischen γ-Emission zu führen. Weitere Untersuchungen, die andere SNR in Kombination mit dem hier ent- wickelten verbesserten Modell der Hintergrundstrahlung beinhalten, können Popu- lationsstudien erlauben. Dies könnte klären, ob die SNR tatsächlich die Quellen der galaktischen Kosmischen Strahlung sind. Ein Durchbruch bezüglich der Identi- fikation des Strahlungsmechanismus könnte auch durch eine neue Generation von Beobachtungsinstrumenten, wie das Cherenkov Telescope Array, erreicht werden. KW - Supernovaüberrest KW - gamma-ray KW - cosmic-rays KW - supernova remnants Y1 - 2014 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-71734 ER - TY - THES A1 - Wieland, Volkmar T1 - Particle-in-cell simulations of perpendicular supernova shock fronts T1 - Particle-in-Cell Simulationen von senkrechten Supernova Schock-Fronten N2 - The origin of cosmic rays was the subject of several studies for over a century. The investigations done within this dissertation are one small step to shed some more light on this mystery. Locating the sources of cosmic rays is not trivial due to the interstellar magnetic field. However, the Hillas criterion allows us to arrive at the conclusion that supernova remnants are our main suspect for the origin of galactic cosmic rays. The mechanism by which they are accelerating particles is found within the field of shock physics as diffusive shock acceleration. To allow particles to enter this process also known as Fermi acceleration pre-acceleration processes like shock surfing acceleration and shock drift acceleration are necessary. Investigating the processes happening in the plasma shocks of supernova remnants is possible by utilising a simplified model which can be simulated on a computer using Particle-in-Cell simulations. We developed a new and clean setup to simulate the formation of a double shock, i.e., consisting of a forward and a reverse shock and a contact discontinuity, by the collision of two counter-streaming plasmas, in which a magnetic field can be woven into. In a previous work, we investigated the processes at unmagnetised and at magnetised parallel shocks, whereas in the current work, we move our investigation on to magnetised perpendicular shocks. Due to a much stronger confinement of the particles to the collision region the perpendicular shock develops much faster than the parallel shock. On the other hand, this leads to much weaker turbulence. We are able to find indications for shock surfing acceleration and shock drift acceleration happening at the two shocks leading to populations of pre-accelerated particles that are suitable as a seed population to be injected into further diffusive shock acceleration to be accelerated to even higher energies. We observe the development of filamentary structures in the shock ramp of the forward shock, but not at the reverse shock. This leads to the conclusion that the development of such structures in the shock ramp of quasi-perpendicular collisionless shocks might not necessarily be determined by the existence of a critical sonic Mach number but by a critical shock speed. The results of the investigations done within this dissertation might be useful for further studies of oblique shocks and for studies using hybrid or magnetohydrodynamic simulations. Together with more sophisticated observational methods, these studies will help to bring us closer to an answer as to how particles can be accelerated in supernova remnants and eventually become cosmic rays that can be detected on Earth. N2 - Der Ursprung der kosmischen Strahlung war seit über einem Jahrhundert Gegenstand von zahlreichen Untersuchungen. Die Untersuchungen, welche innerhalb dieser Dissertation gemacht wurden, sind ein kleiner Schritt dazu etwas mehr Licht auf dieses Geheimnis zu werfen. Die Quellen der kosmischen Strahlung herauszufinden stellt sich aufgrund des interstellaren Magnetfeldes als nicht trivial heraus. Jedoch erlaubt uns das Hillas-Kriterium die Schlussfolgerung, dass Supernovaüberreste unsere Hauptverdächtigen für den Ursprung der galaktischen kosmischen Strahlung sind. Der Mechanismus, durch welchen sie Teilchen beschleunigen, kann im Gebiet der Schock-Physik in Form der diffusen Schockbeschleunigung gefunden werden. Um den Teilchen zu ermöglichen an diesem Prozess, der auch als Fermi-Beschleunigung bekannt ist, teilzunehmen, sind Vorbeschleunigungsprozesse wie die Schock-Surfing-Beschleunigung und die Schock-Drift-Beschleunigung nötig. Die Untersuchung der Prozesse in Plasma-Schocks ist durch die Verwendung eines vereinfachten Modells möglich, welches sich mit Hilfe von Particle-in-Cell Simulationen auf einem Computer simulieren lässt. Wir haben einen neuen und sauberen Setup entwickelt um die Entstehung eines Doppelschocks, bestehend aus einem vorwärts und einem rückwärts gerichtet Schock und einer Kontakt-Diskontinuität, durch die Kollision zweier gegeneinander strömender Plasmen, in welche ein Magnetfeld eingelagert werden kann, zu simulieren. In einer vorhergehenden Arbeit haben wir bereits die Prozesse an unmagnetisierten und an magnetisierten parallelen Schocks untersucht, weshalb wir in der vorliegenden Arbeit zu der Untersuchung magnetisierter senkrechter Schocks weiter gegangen sind. Aufgrund eines sehr viel stärkeren Einfangens der Teilchen in der Kollisionsregion, entwickelt sich der senkrechte Schock sehr viel schneller als der parallele Schock. Andererseits führt dies zu einer viel schwächeren Turbulenz. Wir finden Anzeichen für Schock-Surfing-Beschleunigung und Schock-Drift-Beschleunigung in beiden Schocks, welche Populationen von vorbeschleunigten Teilchen erzeugen, die wiederum als Ausgangspopulation für die Injektion in die diffusive Schock-Beschleunigung geeignet sind um zu noch höheren Energien beschleunigt zu werden. Wir beobachten die Entwicklung von Filamentstrukturen in der Schockrampe des vorwärts gerichteten Schocks, jedoch nicht im rückwärts gerichtet Schock. Dies führt zu der Schlussfolgerung, dass die Entwicklung dieser Strukturen in der Schockrampe von quasi-senkrechten kollisionsfreien Schocks nicht notwendigerweise durch die Existenz einer kritischen sonischen Machzahl bestimmt ist, sondern durch eine kritische Schock-Geschwindigkeit. Die Ergebnisse der Untersuchungen in dieser Dissertation können sich für weiterführende Untersuchungen von schrägen Schocks und für Untersuchungen mit Hilfe von hybriden oder magnetohydrodynamischen Simulationen als nützlich erweisen. Zusammen mit ausgefeilteren Beobachtungsmethoden helfen uns diese Untersuchungen dabei näher an eine Antwort auf die Frage zu kommen, wie Teilchen in Supernovaüberresten beschleunigt werden können um schließlich als kosmische Strahlung auf der Erde detektiert werden zu können. KW - cosmic rays KW - kosmische Strahlung KW - supernova remnants KW - Supernovaüberreste KW - particle-in-cell simulations Y1 - 2015 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-74532 ER - TY - THES A1 - Shaw, Vasundhara T1 - Cosmic-ray transport and signatures in their local environment N2 - The origin and structure of magnetic fields in the Galaxy are largely unknown. What is known is that they are essential for several astrophysical processes, in particular the propagation of cosmic rays. Our ability to describe the propagation of cosmic rays through the Galaxy is severely limited by the lack of observational data needed to probe the structure of the Galactic magnetic field on many different length scales. This is particularly true for modelling the propagation of cosmic rays into the Galactic halo, where our knowledge of the magnetic field is particularly poor. In the last decade, observations of the Galactic halo in different frequency regimes have revealed the existence of out-of-plane bubble emission in the Galactic halo. In gamma rays these bubbles have been termed Fermi bubbles with a radial extent of ≈ 3 kpc and an azimuthal height of ≈ 6 kpc. The radio counterparts of the Fermi bubbles were seen by both the S-PASS telescopes and the Planck satellite, and showed a clear spatial overlap. The X-ray counterparts of the Fermi bubbles were named eROSITA bubbles after the eROSITA satellite, with a radial width of ≈ 7 kpc and an azimuthal height of ≈ 14 kpc. Taken together, these observations suggest the presence of large extended Galactic Halo Bubbles (GHB) and have stimulated interest in exploring the less explored Galactic halo. In this thesis, a new toy model (GHB model) for the magnetic field and non-thermal electron distribution in the Galactic halo has been proposed. The new toy model has been used to produce polarised synchrotron emission sky maps. Chi-square analysis was used to compare the synthetic skymaps with the Planck 30 GHz polarised skymaps. The obtained constraints on the strength and azimuthal height were found to be in agreement with the S-PASS radio observations. The upper, lower and best-fit values obtained from the above chi-squared analysis were used to generate three separate toy models. These three models were used to propagate ultra-high energy cosmic rays. This study was carried out for two potential sources, Centaurus A and NGC 253, to produce magnification maps and arrival direction skymaps. The simulated arrival direction skymaps were found to be consistent with the hotspots of Centaurus A and NGC 253 as seen in the observed arrival direction skymaps provided by the Pierre Auger Observatory (PAO). The turbulent magnetic field component of the GHB model was also used to investigate the extragalactic dipole suppression seen by PAO. UHECRs with an extragalactic dipole were forward-tracked through the turbulent GHB model at different field strengths. The suppression in the dipole due to the varying diffusion coefficient from the simulations was noted. The results could also be compared with an analytical analogy of electrostatics. The simulations of the extragalactic dipole suppression were in agreement with similar studies carried out for galactic cosmic rays. N2 - Unsere Galaxie wird ständig von hochenergetischen geladenen Teilchen unterschiedlicher Energie bombardiert, die als kosmische Strahlung bezeichnet werden und deren Ursprung nicht bekannt ist. Satelliten- und erdgestützte Messungen haben bisher ergeben, dass es in unserer Galaxie Beschleuniger für kosmische Strahlung gibt, z. B. die Überreste explodierender Sterne (Supernova-Überreste), aber bei den höchsten kosmischen Strahlungsenergien bleiben die Quellen ein Rätsel. Fortschritte zu erzielen ist eine Herausforderung, auch weil die kosmische Strahlung durch Magnetfelder abgelenkt wird, was bedeutet, dass die beobachtete Richtung mit der Richtung der Quelle übereinstimmen kann oder auch nicht. Unsere Galaxie weist starke Magnetfelder auf, deren Beschaffenheit noch nicht gut verstanden ist, insbesondere in der Komponente außerhalb der Scheibe (dem galaktischen Halo). Darüber hinaus haben Beobachtungen in den letzten zehn Jahren blasenartige Strukturen im galaktischen Halo mit enormen Gesamtenergien aufgedeckt, die auch als galaktische Halo-Blasen bezeichnet werden. All dies motiviert uns, den galaktischen Halo zu untersuchen. In meiner Doktorarbeit schlagen wir ein neues, vereinfachtes Magnetfeldmodell für galaktische Halo-Blasen vor. Das Modell umfasst sowohl strukturierte als auch turbulente Komponenten des Magnetfelds. Das vereinfachte Modell wurde mit Beobachtungsdaten verglichen, um den am besten passenden Parametersatz zusammen mit den Unsicherheiten zu erhalten. Ich untersuchte die Propagation der ultrahochenergetischen kosmischen Strahlung durch das vereinfachte Modell und untersuchte dessen Auswirkungen auf die Ankunftsrichtungen der ultrahochenergetischen kosmischen Strahlung für zwei potenzielle Quellen, Centaurus~A und NGC~253. Außerdem habe ich sowohl numerisch als auch analytisch abgeschätzt, wie stark ein Dipol der extragalaktischen kosmischen Strahlung durch verschiedene Konfigurationen der turbulenten Magnetfelder des vereinfachten Modells unterdrückt wird. Die Ergebnisse all dieser Arbeiten werden in dieser Arbeit im Detail vorgestellt. KW - galactic magnetic fields KW - synchrotron radiation KW - non-thermal radiation KW - ultra-high energy cosmic rays KW - cosmic ray propagation KW - Ausbreitung der kosmischen Strahlung KW - galaktische Magnetfelder KW - nicht-thermische Strahlung KW - Synchrotronstrahlung KW - ultrahochenergetische kosmische Strahlung Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-620198 ER - TY - THES A1 - Steppa, Constantin Beverly T1 - Modelling the galactic population of very-high-energy gamma-ray sources T1 - Modellierung der Population galaktischer Quellen von sehr hochenergetischer Gammastrahlung N2 - The current generation of ground-based instruments has rapidly extended the limits of the range accessible to us with very-high-energy (VHE) gamma-rays, and more than a hundred sources have now been detected in the Milky Way. These sources represent only the tip of the iceberg, but their number has reached a level that allows population studies. In this work, a model of the global population of VHE gamma-ray sources based on the most comprehensive census of Galactic sources in this energy regime, the H.E.S.S. Galactic plane survey (HGPS), will be presented. A population synthesis approach was followed in the construction of the model. Particular attention was paid to correcting for the strong observational bias inherent in the sample of detected sources. The methods developed for estimating the model parameters have been validated with extensive Monte Carlo simulations and will be shown to provide unbiased estimates of the model parameters. With these methods, five models for different spatial distributions of sources have been constructed. To test the validity of these models, their predictions for the composition of sources within the sensitivity range of the HGPS are compared with the observed sample. With one exception, similar results are obtained for all spatial distributions, showing that the observed longitude profile and the source distribution over photon flux are in fair agreement with observation. Regarding the latitude profile and the source distribution over angular extent, it becomes apparent that the model needs to be further adjusted to bring its predictions in agreement with observation. Based on the model, predictions of the global properties of the Galactic population of VHE gamma-ray sources and the prospects of the Cherenkov Telescope Array (CTA) will be presented. CTA will significantly increase our knowledge of VHE gamma-ray sources by lowering the threshold for source detection, primarily through a larger detection area compared to current-generation instruments. In ground-based gamma-ray astronomy, the sensitivity of an instrument depends strongly, in addition to the detection area, on the ability to distinguish images of air showers produced by gamma-rays from those produced by cosmic rays, which are a strong background. This means that the number of detectable sources depends on the background rejection algorithm used and therefore may also be increased by improving the performance of such algorithms. In this context, in addition to the population model, this work presents a study on the application of deep-learning techniques to the task of gamma-hadron separation in the analysis of data from ground-based gamma-ray instruments. Based on a systematic survey of different neural-network architectures, it is shown that robust classifiers can be constructed with competitive performance compared to the best existing algorithms. Despite the broad coverage of neural-network architectures discussed, only part of the potential offered by the application of deep-learning techniques to the analysis of gamma-ray data is exploited in the context of this study. Nevertheless, it provides an important basis for further research on this topic. N2 - Die aktuelle Generation bodengestützter Instrumente hat die Grenzen des uns mit sehr hoch-energetischer (very-high-energy, VHE) Gammastrahlung zugänglichen Bereichs rasch erweitert, so dass inzwischen bereits mehr als hundert Quellen in der Milchstraße entdeckt wurden. Diese Quellen repräsentieren zwar nur die Spitze des Eisbergs, doch ihre Anzahl hat ein Niveau erreicht, das Populationsstudien ermöglicht. In dieser Arbeit wird ein Modell der globalen Population von VHE Gammastrahlungsquellen vorgestellt, das auf den umfassendsten Zensus galaktischer Quellen in diesem Energiebereich, dem H.E.S.S. Galactic plane survey (HGPS), beruht. Bei der Erstellung des Modells wurde ein Populationssynthese-Ansatz verfolgt. Besonderes Augenmerk wurde auf die Korrektur der starken Beobachtungsverzerrung gelegt, die der Stichprobe detektierter Quellen innewohnt. Die für die Schätzung der Modellparameter entwickelten Methoden wurden mit umfangreichen Monte-Carlo-Simulationen validiert und es wird gezeigt, dass sie akkurate Schätzungen der Modelparameter ermöglichen. Mit diesen Methoden wurden fünf Modelle für verschiedene räumliche Verteilungen von Quellen erstellt. Um die Gültigkeit dieser Modelle zu prüfen, werden ihre Vorhersagen für die Zusammensetzung der Quellen innerhalb des Sensitivitätsbereichs des HGPS mit der beobachteten Stichprobe verglichen. Mit einer Ausnahme werden für alle räumlichen Verteilungen ähnliche Ergebnisse erzielt, die zeigen, dass das beobachtete Longitudenprofil und die Quellenverteilung über den Photonenfluss gut mit der Beobachtung übereinstimmen. Bezüglich des Latitudenprofils und der Quellenverteilung über die Winkelausdehnung zeigt sich, dass das Modell weiter angepasst werden muss, um dessen Vorhersagen mit den Beobachtungen in Einklang zu bringen. Auf der Grundlage des Modells werden Vorhersagen über die globalen Eigenschaften der galaktischen Population von VHE Gammastrahlungsquellen und die Perspektiven des Cherenkov Telescope Array (CTA) vorgestellt. CTA wird unser Wissen über VHE Gammastrahlungsquellen erheblich erweitern, indem es die Detektionsschwelle für die Quellen senkt, vor allem durch einer im Vergleich zu Instrumenten der aktuellen Generation größeren Detektionsfläche. In der bodengebundenen Gammastrahlenastronomie hängt die Empfindlichkeit eines Instruments neben der Detektionsfläche jedoch auch stark von der Fähigkeit ab, Bilder von Luftschauern, die durch Gammastrahlen erzeugt werden, von denen zu unterscheiden, die durch kosmische Strahlung erzeugt werden und einen starken Hintergrund darstellen. Dies bedeutet, dass die Anzahl der detektierbaren Quellen von dem verwendeten Algorithmus zur Hintergrundunterdrückung abhängt und daher möglicherweise auch durch eine Verbesserung der Leistung solcher Algorithmen erhöht werden kann. In diesem Zusammenhang wird in dieser Arbeit zusätzlich zum Populationsmodell eine Studie über die Anwendung von Deep-Learning-Techniken für die Aufgabe der Gamma-Hadron-Trennung bei der Analyse von Daten von bodengestützten Gammastrahleninstrumenten vorgestellt. Auf der Grundlage einer systematischen Untersuchung verschiedener neuronaler Netzwerkarchitekturen wird gezeigt, dass robuste Klassifikatoren konstruiert werden können, die im Vergleich zu den besten bestehenden Algorithmen eine konkurrenzfähige Leistung aufweisen. Trotz des Umfangs der diskutierten neuronalen Netzwerkarchitekturen wird im Rahmen dieser Studie nur ein Teil des Potenzials ausgeschöpft, das die Anwendung von Deep-Learning-Techniken für die Analyse von Daten in der Gammaastronomie bietet. Dennoch bietet sie eine wichtige Grundlage für weitere Forschungen zu diesem Thema. KW - gamma astronomy KW - galactic population KW - very-high energy KW - Gammaastronomie KW - galaktische Population KW - sehr hohe Energien Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-549478 ER - TY - THES A1 - Kranjc Horvat, Anja T1 - Particle physics in high-school education T1 - Teilchenphysik im Oberstufenunterricht BT - what should students and teachers learn? BT - was sollten Jugendliche und Lehrpersonen lernen? N2 - Elementary particle physics is a contemporary topic in science that is slowly being integrated into high-school education. These new implementations are challenging teachers’ professional knowledge worldwide. Therefore, physics education research is faced with two important questions, namely, how can particle physics be integrated in high-school physics curricula and how best to support teachers in enhancing their professional knowledge on particle physics. This doctoral research project set up to provide better guidelines for answering these two questions by conducting three studies on high-school particle physics education. First, an expert concept mapping study was conducted to elicit experts’ expectations on what high-school students should learn about particle physics. Overall, 13 experts in particle physics, computing, and physics education participated in 9 concept mapping rounds. The broad knowledge base of the experts ensured that the final expert concept map covers all major particle physics aspects. Specifically, the final expert concept map includes 180 concepts and examples, connected with 266 links and crosslinks. Among them are also several links to students’ prior knowledge in topics such as mechanics and thermodynamics. The high interconnectedness of the concepts shows possible opportunities for including particle physics as a context for other curricular topics. As such, the resulting expert concept map is showcased as a well-suited tool for teachers to scaffold their instructional practice. Second, a review of 27 high-school physics curricula was conducted. The review uncovered which concepts related to particle physics can be identified in most curricula. Each curriculum was reviewed by two reviewers that followed a codebook with 60 concepts related to particle physics. The analysis showed that most curricula mention cosmology, elementary particles, and charges, all of which are considered theoretical particle physics concepts. None of the experimental particle physics concepts appeared in more than half of the reviewed curricula. Additional analysis was done on two curricular subsets, namely curricula with and curricula without an explicit particle physics chapter. Curricula with an explicit particle physics chapter mention several additional explicit particle physics concepts, namely the Standard Model of particle physics, fundamental interactions, antimatter research, and particle accelerators. The latter is an example of experimental particle physics concepts. Additionally, the analysis revealed that, overall, most curricula include Nature of Science and history of physics, albeit both are typically used as context or as a tool for teaching, respectively. Third, a Delphi study was conducted to investigate stakeholders’ expectations regarding what teachers should learn in particle physics professional development programmes. Over 100 stakeholders from 41 countries represented four stakeholder groups, namely physics education researchers, research scientists, government representatives, and high-school teachers. The study resulted in a ranked list of the 13 most important topics to be included in particle physics professional development programmes. The highest-ranked topics are cosmology, the Standard Model, and real-life applications of particle physics. All stakeholder groups agreed on the overall ranking of the topics. While the highest-ranked topics are again more theoretical, stakeholders also expect teachers to learn about experimental particle physics topics, which are ranked as medium importance topics. The three studies addressed two research aims of this doctoral project. The first research aim was to explore to what extent particle physics is featured in high-school physics curricula. The comparison of the outcomes of the curricular review and the expert concept map showed that curricula cover significantly less than what experts expect high-school students to learn about particle physics. For example, most curricula do not include concepts that could be classified as experimental particle physics. However, the strong connections between the different concept show that experimental particle physics can be used as context for theoretical particle physics concepts, Nature of Science, and other curricular topics. In doing so, particle physics can be introduced in classrooms even though it is not (yet) explicitly mentioned in the respective curriculum. The second research aim was to identify which aspects of content knowledge teachers are expected to learn about particle physics. The comparison of the Delphi study results to the outcomes of the curricular review and the expert concept map showed that stakeholders generally expect teachers to enhance their school knowledge as defined by the curricula. Furthermore, teachers are also expected to enhance their deeper school knowledge by learning how to connect concepts from their school knowledge to other concepts in particle physics and beyond. As such, professional development programmes that focus on enhancing teachers’ school knowledge and deeper school knowledge best support teachers in building relevant context in their instruction. Overall, this doctoral research project reviewed the current state of high-school particle physics education and provided guidelines for future enhancements of the particle physics content in high-school student and teacher education. The outcomes of the project support further implementations of particle physics in high-school education both as explicit content and as context for other curricular topics. Furthermore, the mixed-methods approach and the outcomes of this research project lead to several implications for professional development programmes and science education research, that are discussed in the final chapters of this dissertation. N2 - Elementarteilchenphysik ist ein aktuelles naturwissenschaftliches Thema, das langsam in den Oberstufenunterricht integriert wird. Diese neuen Umsetzungen stellen das Professionswissen der Lehrpersonen weltweit infrage. Die Fachdidaktik sieht sich daher mit zwei wichtigen Fragen beschäftigt: Wie kann die Teilchenphysik in die Oberstufenlehrpläne integriert werden und wie können Lehrpersonen am besten dabei unterstützt werden, ihr Professionswissen über Teilchenphysik zu erweitern? Im Rahmen dieses Promotionsprojekts wurden drei Studien zum Unterricht von Teilchenphysik in der Oberstufe durchgeführt, um bessere Leitlinien für die Beantwortung dieser beiden Fragen zu erarbeiten. Zunächst wurde eine Concept-Mapping-Studie durchgeführt, um die Erwartungen von ExpertInnen darüber zu ermitteln, was SchülerInnen der Oberstufe über Teilchenphysik lernen sollten. Insgesamt nahmen 13 ExpertInnen aus den Bereichen Teilchenphysik, Informatik und Physikdidaktik an 9 Concept-Mapping-Runden teil. Die breite Wissensbasis der Experten stellte sicher, dass die endgültige Expert Concept Map alle wichtigen Aspekte der Teilchenphysik umspannt. Die endgültige Expert Concept Map enthält 180 Konzepte und Beispiele, die mit 266 Verbindungen und Querverweisen verknüpft sind. Darunter befinden sich auch mehrere Bezüge zum Vorwissen der SchülerInnen in Themen wie Mechanik und Thermodynamik. Die starke Vernetzung der Konzepte zeigt, dass es möglich ist, die Teilchenphysik als Kontext für andere Lehrplanthemen zu nutzen. Die so entstandene Expert Concept Map wird als geeignetes Instrument für Lehrpersonen zur Unterstützung ihrer Unterrichtspraxis vorgestellt. Zweitens wurde ein Vergleich von 27 Physiklehrplänen für die Oberstufe durchgeführt. Dabei wurde festgestellt, welche Konzepte mit Bezug zur Teilchenphysik in den meisten Lehrplänen zu finden sind. Jeder Lehrplan wurde von zwei Gutachtern mittels einer Kodieranleitung mit 60 Konzepten zur Teilchenphysik analysiert. Die Lehrplananalyse ergab, dass in den meisten Lehrplänen Kosmologie, Elementarteilchen und Ladungen erwähnt werden, die alle als theoretische Konzepte der Teilchenphysik gelten. Keines der Konzepte der experimentellen Teilchenphysik kam in mehr als der Hälfte der untersuchten Lehrpläne vor. Eine zusätzliche Analyse wurde für zwei Untergruppen von Lehrplänen durchgeführt, nämlich Lehrpläne mit und Lehrpläne ohne ein explizites Teilchenphysik-Kapitel. In Lehrplänen mit einem expliziten Teilchenphysik-Kapitel werden mehrere zusätzliche Teilchenphysik-Konzepte erwähnt, nämlich das Standardmodell der Teilchenphysik, fundamentale Wechselwirkungen, Antimaterieforschung und Teilchenbeschleuniger. Letzteres ist ein Beispiel für Konzepte der experimentellen Teilchenphysik. Darüber hinaus ergab die Analyse, dass die meisten Lehrpläne Aspekte der Nature of Science und der Geschichte der Physik enthalten, obwohl beide typischerweise als Kontext bzw. als Hilfsmittel für den Unterricht verwendet werden. Drittens wurde eine Delphi-Studie durchgeführt, um die Erwartungen von Stakeholder in Bezug darauf zu untersuchen, was Lehrpersonen in Weiterbildungsprogrammen zur Teilchenphysik lernen sollten. Über 100 Stakeholder aus 41 Ländern vertraten vier Stakeholder-Gruppen, nämlich FachdidaktikerInnen, FachwissenschaftlerInnen, RegierungsvertreterInnen und Lehrpersonen. Das Ergebnis der Studie ist eine Rangliste der 13 wichtigsten Themen, die in Fortbildungsprogrammen für Teilchenphysik behandelt werden sollten. Die am höchsten bewerteten Themen waren Kosmologie, das Standardmodell der Teilchenphysik und Anwendungen der Teilchenphysik. Alle Stakeholder-Gruppen waren sich über die Gesamtwertung der Themen einig. Während die am höchsten bewerteten Themen wiederum eher theoretischer Natur waren, erwarten die Stakeholder auch, dass Lehrpersonen etwas über experimentelle Teilchenphysik Themen lernen, die mit mittlerer Bedeutung eingestuft wurden. Mit den drei Studien wurden zwei Forschungsziele dieses Promotionsprojekts verfolgt. Das erste Forschungsziel bestand darin, zu untersuchen, inwiefern die Teilchenphysik in den Physiklehrplänen für die Oberstufe behandelt wird. Der Vergleich der Ergebnisse der Lehrplananalyse und der Expert Concept Map zeigte, dass die Lehrpläne deutlich weniger abdecken als das, was ExpertInnen von OberstufenschülerInnen über Teilchenphysik erwarten. Beispielsweise enthalten die meisten Lehrpläne keine Konzepte, die der experimentellen Teilchenphysik zugeordnet werden können. Die vielfältigen Verbindungen zwischen den verschiedenen Konzepten zeigen jedoch, dass die experimentelle Teilchenphysik als Kontext für Konzepte der theoretischen Teilchenphysik, Nature of Science und andere Lehrplanthemen verwendet werden kann. Auf diese Weise kann die Teilchenphysik im Unterricht eingeführt werden, selbst wenn diese (noch) nicht explizit im jeweiligen Lehrplan erwähnt wird. Das zweite Forschungsziel bestand darin, herauszufinden, welche Aspekte des Fachwissens Lehrpersonen über Teilchenphysik vermittelt werden sollen. Der Vergleich der Ergebnisse der Delphi-Studie mit den Resultaten der Lehrplananalyse und der Expert Concept Map zeigte, dass die Stakeholder im Allgemeinen erwarten, dass Lehrpersonen ihr Schulwissen im Sinne der Lehrpläne erweitern. Darüber hinaus wird von den Lehrpersonen erwartet, dass sie ihr Schulwissen vertiefen, indem sie lernen, wie sie Konzepte aus ihrem Schulwissen mit anderen Konzepten der Teilchenphysik verbinden können. Fortbildungsprogramme, die den Schwerpunkt auf die Verbesserung des Schulwissens und des vertieften Schulwissens der Lehrpersonen legen, unterstützen somit bestmöglich die Lehrpersonen beim Aufbau relevanter Zusammenhänge für ihren Unterricht. Insgesamt wurde im Rahmen dieses Promotionsprojekts der aktuelle Stand des Teilchenphysikunterrichts in der Oberstufe untersucht und es wurden Leitlinien für die künftige Aufwertung teilchenphysikalischer Inhalte in der Ausbildung von Jugendlichen und Lehrpersonen erarbeitet. Die Ergebnisse des Projekts unterstützen die aktuelle Einführung der Teilchenphysik im Oberstufenunterricht sowohl als expliziten Inhalt als auch als Kontext für andere Lehrplanthemen. Darüber hinaus ergeben sich aus der Methodik und den Ergebnissen dieses Forschungsprojekts mehrere Implikationen für Weiterbildungsprogramme und für die Physikdidaktik, die in den letzten Kapiteln dieser Dissertation diskutiert werden. KW - physics education KW - particle physics KW - high-school education KW - teacher professional development KW - Physik Lehramt KW - Teilchenphysik KW - Lehrerfortbildung Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-560260 ER - TY - THES A1 - Das, Samata T1 - Modelling particle acceleration in core-collapse supernova remnants inside circumstellar wind-blown bubbles T1 - Modellierung der Teilchenbeschleunigung in Kernkollaps-Supernova-Überresten innerhalb zirkumstellaren windgeblasenen Blasen N2 - Supernova remnants are considered to be the primary sources of galactic cosmic rays. These cosmic rays are assumed to be accelerated by the diffusive shock acceleration mechanism, specifically at shocks in the remnants. Particularly in the core-collapse scenario, these supernova remnant shocks expand inside the wind-blown bubbles structured by massive progenitors during their lifetime. Therefore, the complex environment of wind bubbles can influence the particle acceleration and radiation from the remnants. Further, the evolution of massive stars depends on their Zero Age Main Sequence mass, rotation, and metallicity. Consequently, the structures of the wind bubbles generated during the lifetime of massive stars should be considerably different. Hence, the particle acceleration in the core-collapse supernova remnants should vary, not only from the remnants evolving in the uniform environment but also from one another, depending on their progenitor stars. A core-collapse supernova remnant with a very massive 60 𝑀 ⊙ progenitor star has been considered to study the particle acceleration at the shock considering Bohm-like diffusion. This dissertation demonstrates the modification in particle acceleration and radiation while the remnant propagates through different regions of the wind bubble by impacts from the profiles of gas density, the temperature of the bubble and the magnetic field structure. Subsequently, in this thesis, I discuss the impacts of the non-identical ambient environment of core-collapse supernova remnants on particle spectra and the non-thermal emissions, considering 20 𝑀 ⊙ and 60 𝑀⊙ massive progenitors having different evolutionary tracks. Additionally, I also analyse the effect of cosmic ray streaming instabilities on particle spectra. To model the particle acceleration in the remnants, I have performed simulations in one-dimensional spherical symmetry using RATPaC code. The transport equation for cosmic rays and magnetic turbulence in test-particle approximation, along with the induction equation for the evolution of the large-scale magnetic field, have been solved simultaneously with the hydrodynamic equations for the expansion of remnants inside the pre-supernova circumstellar medium. The results from simulations describe that the spectra of accelerated particles in supernova remnants are regulated by density fluctuations, temperature variations, the large-scale magnetic field configuration and scattering turbulence. Although the diffusive shock acceleration mechanism at supernova remnant shock predicts the spectral index of 2 for the accelerated non-thermal particles, I have obtained the particle spectra that deviate from this prediction, in the core-collapse scenario. I have found that the particle spectral index reaches 2.5 for the supernova remnant with 60 𝑀 ⊙ progenitor when the remnant resides inside the shocked wind region of the wind bubble, and this softness persists at later evolutionary stages even with Bohm-like diffusion for accelerated particles. However, the supernova remnant with 20 𝑀 ⊙ progenitor does not demonstrate persistent softness in particle spectra from the influence of the hydrodynamics of the corresponding wind bubble. At later stages of evolution, the particle spectra illustrate softness at higher energies for both remnants as the consequence of the escape of high-energy particles from the remnants while considering the cosmic ray streaming instabilities. Finally, I have probed the emission morphology of remnants that varies depending on the progenitors, particularly in earlier evolutionary stages. This dissertation provides insight into different core-collapse remnants expanding inside wind bubbles, for instance, the calculated gamma-ray spectral index from the supernova remnant with 60 𝑀 ⊙ progenitor at later evolutionary stages is consistent with that of the observed supernova remnants expanding in dense molecular clouds. N2 - Supernova-Überreste gelten als die Hauptquellen der galaktischen kosmischen Strahlung. Diese kosmische Strahlung wird vermutlich durch den Mechanismus der diffusiven Schockbeschleunigung beschleunigt, insbesondere durch Schocks in den Überresten. Insbesondere im Szenario des Kernkollapses werden diese Supernova-Überreste innerhalb der windgeblasenen Blasen aus, die von massiven Progenitoren während ihrer Lebenszeit. Daher kann die komplexe Umgebung der Windblasen die Teilchenbeschleunigung und die Strahlung der Überreste beeinflussen. Außerdem hängt die Entwicklung von massereichen Sternen von ihrer Masse, Rotation und Metallizität in der Nullzeit der Hauptreihe ab. Folglich sollten die Strukturen der Windblasen, die während der Lebensdauer massereicher Sterne erzeugt werden, sehr unterschiedlich sein. Folglich sollte die Teilchenbeschleunigung in den Kernkollaps Supernovaüberresten nicht nur von den Überresten unterscheiden, die sich in einer einheitlichen Umgebung, sondern auch voneinander, je nach ihren Vorgängersternen. Ein Kernkollaps-Supernova-Überrest mit einem sehr massereichen 60 𝑀 ⊙ Vorläuferstern wurde betrachtet, um die Teilchenbeschleunigung am Schock unter Berücksichtigung der Bohm-ähnlichen Diffusion zu untersuchen. Diese Dissertation zeigt die Veränderung der Teilchenbeschleunigung und der Strahlung, während sich der Überrest durch verschiedene Regionen der Windblase ausbreitet, anhand der Profile der Gasdichte, der Temperatur der Blase und der Magnetfeldstruktur. Anschließend diskutiere ich in dieser Arbeit die Auswirkungen der nicht-identischen Umgebung von Supernova-Überresten auf die Teilchenspektren und die nicht-thermischen Emissionen unter Berücksichtigung von 20 𝑀 ⊙ und 60 𝑀 ⊙ massiven Vorläufern mit unterschiedlichen Entwicklungspfaden. Darüber hinaus analysiere ich auch die Auswirkungen von Instabilitäten der kosmischen Strahlung auf die Teilchenspektren. Um die Teilchenbeschleunigung in den Überresten zu modellieren, habe ich Simulationen in eindimensionaler dimensionalen sphärischen Symmetrie mit dem RATPaC-Code durchgeführt. Die Transportgleichung für kosmische Strahlung und die magnetische Turbulenz in der Testteilchen-Näherung, zusammen mit der Induktionsgleichung Induktionsgleichung für die Entwicklung des großräumigen Magnetfeldes, wurden gleichzeitig mit den hydro-dynamischen Gleichungen für die Expansion der Überreste im zirkumstellaren Medium vor der Supernova zirkumstellaren Mediums gelöst. Die Ergebnisse der Simulationen beschreiben, dass die Spektren der beschleunigten Teilchen in Supernovaüberresten durch Dichtefluktuationen, Temperaturschwankungen, die großräumige Magnetfeldkonfiguration und Streuturbulenzen reguliert werden. Obwohl der Mechanismus der diffusiven Schockbeschleunigung im Supernova-Überrest einen Spektralindex von 2 für die beschleunigten nicht-thermischen Teilchen vorhersagt, habe ich im Szenario des Kernkollapses Teilchenspektren erhalten, die von dieser Vorhersage abweichen. Ich habe herausgefunden, dass der Spektralindex der Teilchen für den Supernova-Überrest mit einem 60 𝑀 ⊙ Vorläufer 2,5 erreicht, wenn sich der Überrest in der geschockten Windregion der Windblase befindet, und diese Schwäche bleibt auch in späteren Entwicklungsstadien bestehen, selbst bei einer Bohm-ähnlichen Diffusion für beschleunigte Teilchen. Der Supernova-Überrest mit 20 𝑀 ⊙ Vorläufer zeigt jedoch keine anhaltende Weichheit in Teilchenspektren durch den Einfluss der Hydrodynamik der entsprechenden Windblase. In späteren Entwicklungsstadien zeigen die Teilchenspektren für beide Überreste eine Weichheit bei höheren Energien als Folge des Entweichens hochenergetischer Teilchen aus den Überresten unter Berücksichtigung der Instabilitäten des kosmischen Strahlenstroms. Schließlich habe ich die Emissionsmorphologie der Überreste untersucht, die je nach den Vorläufern variiert, insbesondere in früheren Entwicklungsstadien. Diese Dissertation gibt Aufschluss über verschiedene Kernkollapsüberreste, die sich in Windblasen ausdehnen. So stimmt beispielsweise der berechnete Gammastrahlen-Spektralindex des Supernova-Überrests mit 60 𝑀 ⊙ Vorläufer in späteren Entwicklungsstadien mit dem der beobachteten Supernova-Überreste überein, die sich in dichten Molekülwolken ausdehnen. KW - stellar evolution KW - wind bubble KW - supernova remnant KW - particle acceleration KW - non-thermal emission KW - nicht-thermische Emission KW - Teilchenbeschleunigung KW - Sternentwicklung KW - Supernova-Überrest KW - Windblase Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-614140 ER - 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 - Brose, Robert T1 - From dawn till dusk BT - modelling particle acceleration in supernova remnants N2 - Supernova remnants are believed to be the source of cosmic rays with energies up to 10^15 eV that are produced within our Galaxy. The acceleration mechanism associated with the collision-less shocks in supernova remnants - diffusive shock acceleration - predicts a spectral index of the accelerated non-thermal particles of s = 2. However, measurements of non-thermal emission in radio, X-rays and gamma-rays reveal significant deviations of the particles spectral index from the canonical value of s = 2. The youngest Galactic supernova remnant G1.9+0.3 is an interesting target for next-generation gamma-ray observatories. So far, the remnant is only detected in the radio and the X-ray bands, but its young age of ≈100 yrs and inferred shock speed of ≈ 14, 000 km/s could make it an efficient particle accelerator. I performed spherical symmetric 1D simulations with the RATPaC code, in which I simultaneously solved the transport equation for cosmic rays, the transport equation for magnetic turbulence, and the hydro-dynamical equations for the gas flow. Separately computed distributions of the particles accelerated at the forward and the reverse shock were then used to calculate the spectra of synchrotron, inverse Compton, and Pion-decay radiation from the source. The emission from G1.9+0.3 can be self-consistently explained within the test-particle limit. I find that the X-ray flux is dominated by emission from the forward shock while most of the radio emission originates near the reverse shock, which makes G1.9+0.3 the first remnant with non-thermal radiation detected from the reverse shock. The flux of very-high-energy gamma-ray emission from G1.9+0.3 is expected to be close to the sensitivity threshold of the Cherenkov Telescope Array. The limited time available to grow large-scale turbulence limits the maximum energy of particles to values below 100 TeV, hence G1.9+0.3 is not a PeVatron. Although there are many models for the acceleration of cosmic rays in Supernova remnants, the escape of cosmic rays from these sources is yet understudied. I use our time-dependent acceleration code RATPaC to study the acceleration of cosmic rays and their escape in post-adiabatic Supernova remnants and calculate the subsequent gamma-ray emission from inverse-Compton scattering and Pion decay. My simulations span 100,000 years, thus covering the free-expansion, the Sedov-Taylor, and the beginning of the post-adiabatic phase of the remnant’s evolution. At later stages of the evolution cosmic rays over a wide range of energy can reside outside of the remnant, creating spectra that are softer than predicted by standard diffusive shock acceleration and feature breaks in the 10 - 100 GeV-range. The total spectrum of cosmic rays released into the interstellar medium has a spectral index of s ≈ 2.4 above roughly 10 GeV which is close to that required by Galactic propagation models. I further find the gamma-ray luminosity to peak around an age of 4,000 years for inverse-Compton-dominated high-energy emission. Remnants expanding in low-density media emit generally more inverse-Compton radiation matching the fact that the brightest known supernova remnants - RCW86, Vela Jr, HESSJ1721-347 and RXJ1713.7-3946 - are all expanding in low density environments. The importance of feedback from the cosmic-rays on the hydrodynamical evolution of the remnants is debated as a possibility to obtain soft cosmic-ray spectra at low energies. I performed spherically symmetric 1-D simulations with a modified version of the RATPaC code, in which I simultaneously solve the transport equation for cosmic rays and the hydrodynamical equations, including the back-reaction of the cosmic-ray pressure on the flow profiles. Besides the known modification of the flow profiles and the consequently curved cosmic-ray spectra, steady-state models for non-linear diffusive shock acceleration overpredict the total compression ratio that can be reached with cosmic-ray feedback, as there is limited time for building these modifications. Further, I find modifications to the downstream flow structure that change the evolutionary behavior of the remnant and trigger a cosmic-ray-induced instability close to the contact discontinuity, if and when the cosmic-ray pressure becomes dominant there. N2 - Es wird vermutet das Supernovaüberreste die Quelle der galaktischen kosmischen Strahlung mit Energien bis zu 10^15eV sein können. Der Beschleunigungsprozess der mit den kollisionsfreien Schocks in Supernovaüberresten in Verbindung gebracht wird - diffuse Schockwellenbeschleunigung - sagt nicht-thermische Teilchenspektren mit einem Spektralindex von s=2 voraus. Messungen nicht-thermischer Strahlung im Radio-, Röntgen- und Gammastrahlenbereich zeigen teils deutliche Abweichungen von dieser Vorhersage. Der jüngste galaktische Supernovaüberrest G1.9+0.3 ist ein interessantes Ziel für zukünftige Gammastrahlenteleskope. Bis jetzt wurde der Überrest nur im Radio- und Röntgenband entdeckt aber sein geringes Alter von ~100 Jahren und die gemessenen hohen Schockgeschwindigkeiten von ~14,000km/s sollten Teilchenbeschleunigung auch bis zu sehr hohen Energien ermöglichen. In dieser Arbeit wurden 1D-Simulationen der Teilchenbeschleunigung in G1.9+0.3 mit Hilfe der RATPaC-Programmbibliothek durchgeführt, wobei das System der gekoppelten Differentialgleichungen für den Teilchentransport, den Transport der magnetischen Turbulenz und der Standardgasgleichungen gelöst wurde. Die separat berechneten Verteilungen der Teilchen an Vorwärts- und Rückwärtsschock wurden benutzt um die Emission des Überrests im Radio-, Röntgen und Gammastrahlungsbereich zu bestimmen. Die Emissionen von G1.9+0.3 können selbst konsistent in der Testteilchennäherung bestimmt werden. Die Röntgenemission wird vom Vorwärtsschock dominiert, während die Radioemissionen hauptsächlich vom Rückwätsschock stammen. Dies macht G1.9+0.3 zum ersten Überrest mit detektierter nich-thermischer Strahlung aus dem Bereich des Rückwärtsschocks. Die erwartet Gammastrahlungsemission ist nahe dem Detektionslimit des zukünftigen Cherenkov Telescope Arrays. Die geringe Alter von G1.9+0.3 begrenzt die Maximalenergie, die im Beschleunigungsprozess erreicht werden kann auf Werte unterhalb von 100TeV. Demnach ist G1.9+0.3 kein PeVatron. Auch wenn es zahlreiche Modelle zur Teilchenbeschleunigung in Supernovaüberresten gibt, ist das Entkommen der Teilchen aus den Überresten zur Zeit wenig erforscht. Mit Hilfe von RATPaC haben wir die Evolution und Teilchenbeschleunigung in Supernovaüberresten über 100,000 Jahre simuliert. Dieser Zeitraum deckt einen Großteil der Lebensspanne eines Supernovaüberrests ab und endet mit der letzten Teil der postadiabatischen Phase der Entwicklung des Überrests. In den späten Phasen der Entwicklung des Überrests können Teilchen in einem großen Energiebereich aus dem Überrest entweichen. Dies erzeugt Emissionspektren, die weicher sind als durch Fermibeschleunigung vorhergesagt, und die spektrale Brüche im Bereich von 10-100GeV aufweisen. Das Produktionsspektren der Überreste hat einen spektralen Index von s~2.4 oberhalb von 10GeV, was ungefähr mit den Spektren übereinstimmt, die Quellen in galaktischen Propagationsmodellen aufweisen müssen. Weiterhin erreichen die Überreste ihre größte Helligkeit im Gammabereich nach etwa 4000 Jahren wenn diese durch inverse Comptonstreuung erzeugt werden. Dabei erreichen Überreste in Medien mit geringer Umgebungsdichte größere Helligkeiten, was sich mit den Beobachtungen der hellsten Supernovaüberreste - RCW86, Vela Jr., HESSJ1721-347 und RXJ1713.7-3946 - deckt, die alle in Bereichen sehr geringer Umgebungsdichte expandieren. In der Literatur wird die Möglichkeit diskutiert, dass die Rückkopplung der Beschleunigten Teilchen auf die Struktur der Überreste für die beobachteten weichen Strahlungsspektren verantwortlich ist. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine modifizierte Version von RATPaC entwickelt, die diesen Prozess abbilden kann. Neben den bekannten Rückkopplungen zeigt sich, dass bisherige Modelle unter der Annahme eines Gleichgewichtszustandes für die beschleunigten Teilchen die erreicht maximal Kompression des Plasmas durch den Schock und damit die Härte der Teilchenspektren überschätzen. In unseren zeit aufgelösten Berechnungen ist die maximale Kompression durch die limitierte verfügbare Zeit begrenzt. Zusätzlich zeigt sich das Auftreten einer Instabilität die durch die Rückkopplung der kosmischen Strahlung nahe der Kontaktdiskontinuität hervorgerufen wird. KW - supernova remnant KW - particle acceleration KW - gamma rays KW - Supernovaüberrest KW - Teilchenbeschleunigung KW - Gammastrahlung Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-470865 ER -