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Pulsar wind nebulae at high energies

  • Pulsar wind nebulae (PWNe) are the most abundant TeV gamma-ray emitters in the Milky Way. The radiative emission of these objects is powered by fast-rotating pulsars, which donate parts of their rotational energy into winds of relativistic particles. This thesis presents an in-depth study of the detected population of PWNe at high energies. To outline general trends regarding their evolutionary behaviour, a time-dependent model is introduced and compared to the available data. In particular, this work presents two exceptional PWNe which protrude from the rest of the population, namely the Crab Nebula and N 157B. Both objects are driven by pulsars with extremely high rotational energy loss rates. Accordingly, they are often referred to as energetic twins. Modelling the non-thermal multi-wavelength emission of N157B gives access to specific properties of this object, like the magnetic field inside the nebula. Comparing the derived parameters to those of the Crab Nebula reveals large intrinsic differences between the two PWNe. PossiblePulsar wind nebulae (PWNe) are the most abundant TeV gamma-ray emitters in the Milky Way. The radiative emission of these objects is powered by fast-rotating pulsars, which donate parts of their rotational energy into winds of relativistic particles. This thesis presents an in-depth study of the detected population of PWNe at high energies. To outline general trends regarding their evolutionary behaviour, a time-dependent model is introduced and compared to the available data. In particular, this work presents two exceptional PWNe which protrude from the rest of the population, namely the Crab Nebula and N 157B. Both objects are driven by pulsars with extremely high rotational energy loss rates. Accordingly, they are often referred to as energetic twins. Modelling the non-thermal multi-wavelength emission of N157B gives access to specific properties of this object, like the magnetic field inside the nebula. Comparing the derived parameters to those of the Crab Nebula reveals large intrinsic differences between the two PWNe. Possible origins of these differences are discussed in context of the resembling pulsars. Compared to the TeV gamma-ray regime, the number of detected PWNe is much smaller in the MeV-GeV gamma-ray range. In the latter range, the Crab Nebula stands out by the recent detection of gamma-ray flares. In general, the measured flux enhancements on short time scales of days to weeks were not expected in the theoretical understanding of PWNe. In this thesis, the variability of the Crab Nebula is analysed using data from the Fermi Large Area Telescope (Fermi-LAT). For the presented analysis, a new gamma-ray reconstruction method is used, providing a higher sensitivity and a lower energy threshold compared to previous analyses. The derived gamma-ray light curve of the Crab Nebula is investigated for flares and periodicity. The detected flares are analysed regarding their energy spectra, and their variety and commonalities are discussed. In addition, a dedicated analysis of the flare which occurred in March 2013 is performed. The derived short-term variability time scale is roughly 6h, implying a small region inside the Crab Nebula to be responsible for the enigmatic flares. The most promising theories explaining the origins of the flux eruptions and gamma-ray variability are discussed in detail. In the technical part of this work, a new analysis framework is presented. The introduced software, called gammalib/ctools, is currently being developed for the future CTA observa- tory. The analysis framework is extensively tested using data from the H. E. S. S. experiment. To conduct proper data analysis in the likelihood framework of gammalib/ctools, a model describing the distribution of background events in H.E.S.S. data is presented. The software provides the infrastructure to combine data from several instruments in one analysis. To study the gamma-ray emitting PWN population, data from Fermi-LAT and H. E. S. S. are combined in the likelihood framework of gammalib/ctools. In particular, the spectral peak, which usually lies in the overlap energy regime between these two instruments, is determined with the presented analysis framework. The derived measurements are compared to the predictions from the time-dependent model. The combined analysis supports the conclusion of a diverse population of gamma-ray emitting PWNe.show moreshow less
  • Pulsarwindnebel (PWN) sind im Bereich der TeV Gammastrahlung die am häufigsten vorkommende Quellklasse. Die vorliegende Arbeit präsentiert eine detaillierte Studie der Population von gammastrahlungsemittierenden PWNn. Um ihre Entwicklung zu untersuchen, wird ein zeitabhängiges Modell vorgestellt und mit Messdaten verglichen. Der Fokus dieser Arbeit liegt des Weiteren auf zwei außergewöhnlichen PWNn, die aus der übrigen Population hervorstechen: der Krebsnebel und N 157B. Diese beiden PWN werden von Pulsaren mit ähnlich hohen Rotationsenergieverlustraten gespeist. Daher werden die beiden Pulsare auch oft als “energetische Zwillinge” bezeichnet. Im Rahmen dieser Arbeit wird die Breitbandemission von N 157B modelliert. Dies ermöglicht es, spezielle Eigenschaften dieses PWNs abzuschätzen. Diese sind im Vergleich zum Krebsnebel sehr unterschiedlich, obwohl sich die jeweiligen Energiequellen stark ähneln. Es werden verschiedene Möglichkeiten für die unterschiedliche Erscheinung dieser beiden Quellen diskutiert. Auf Grund kürzlichPulsarwindnebel (PWN) sind im Bereich der TeV Gammastrahlung die am häufigsten vorkommende Quellklasse. Die vorliegende Arbeit präsentiert eine detaillierte Studie der Population von gammastrahlungsemittierenden PWNn. Um ihre Entwicklung zu untersuchen, wird ein zeitabhängiges Modell vorgestellt und mit Messdaten verglichen. Der Fokus dieser Arbeit liegt des Weiteren auf zwei außergewöhnlichen PWNn, die aus der übrigen Population hervorstechen: der Krebsnebel und N 157B. Diese beiden PWN werden von Pulsaren mit ähnlich hohen Rotationsenergieverlustraten gespeist. Daher werden die beiden Pulsare auch oft als “energetische Zwillinge” bezeichnet. Im Rahmen dieser Arbeit wird die Breitbandemission von N 157B modelliert. Dies ermöglicht es, spezielle Eigenschaften dieses PWNs abzuschätzen. Diese sind im Vergleich zum Krebsnebel sehr unterschiedlich, obwohl sich die jeweiligen Energiequellen stark ähneln. Es werden verschiedene Möglichkeiten für die unterschiedliche Erscheinung dieser beiden Quellen diskutiert. Auf Grund kürzlich gemessener MeV Gammastrahlungsausbrüche wird die Einzigartigkeit des Krebsnebels in diesem Energiebereich verdeutlicht. Die auf Zeitskalen von Tagen bis Wochen variierende Helligkeit ist nach dem gegenwärtigen Verständnis von PWNn unerwartet. In dieser Arbeit wird die zeitliche Variabilität des Krebsnebels mit Daten vom Fermi Large Area Telescope (Fermi-LAT) analysiert. Die vorgestellte Datenanalyse basiert auf einer neuen Rekonstruktionsmethode von Gammastrahlen, welche zu einer höheren Empfindlichkeit und einer niedrigeren Energieschwelle führt. Die Lichtkurve des Krebsnebels in Gammastrahlung wird auf Periodizität und Variabilität untersucht. Des Weiteren werden die nachgewiesenen Strahlungsausbrüche hinsichtlich ihrer Energiespektren ausgewertet und miteinander auf Gemeinsamkeiten und Unterschiede verglichen. Zusätzlich wird eine detaillierte Analyse der starken Flusserhöhung vom März 2013 vorgestellt. Die hierbei bestimmte Kurzzeitvariabilität von ca. sechs Stunden lässt vermuten, dass eine sehr kleine Region innerhalb des Krebsnebels für die Strahlungsausbrüche verantwortlich ist. Die vielversprechendsten Theorien zu diesem Phänomen werden vorgestellt und diskutiert. Im technischen Teil dieser Arbeit wird eine neue Analyseumgebung vorgestellt, die derzeit für das zukünftige CTA Observatorium entwickelt wird. Diese Software wird intensiven Analysetests mit Daten des H.E.S.S. Experiments unterzogen. Für die angemessene Durchführung von H.E.S.S. Datenanalysen wird ein Modell vorgestellt, das die Verteilung der Untergrundereignisse in H. E. S. S. Daten beschreibt. Des Weiteren erlaubt die Analyseumgebung die Kombination von Daten mehrerer Instrumente. Diese einzigartige Option wird genutzt, um die beschriebene PWN Population genauer zu studieren. Zu diesem Zweck werden Daten von Fermi-LAT und H. E. S. S. gemeinsam analysiert. Von besonderem Interesse ist hierbei das spektrale Maximum von PWN, welches meist im energetischen Überlappbereich der beiden Instrumente liegt. Die Ergebnisse der gemeinsamen Analyse werden mit dem zeitabhängigen Modell für PWN verglichen. Die daraus gewonnenen Resultate verdeutlichen unter anderem die breite Vielfalt von PWNn.show moreshow less

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Metadaten
Author:Michael Mayer
URN:urn:nbn:de:kobv:517-opus4-71504
Subtitle (English):a diverse population and exceptional twins
Subtitle (German):eine vielfältige Population und außergewöhnliche Zwillinge
Title Additional (German):Pulsarwindnebel bei hohen Energien
Advisor:Christian Stegmann
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2014
Publishing Institution:Universität Potsdam
Granting Institution:Universität Potsdam
Date of final exam:2014/12/12
Release Date:2015/02/13
Tag:Fermi-LAT; Gammastrahlungsastronomie; H.E.S.S.; Krebsnebel; N157B; Pulsarwindnebel; Statistische Datenanalyse
Crab Nebula; N157B; data analysis; gamma-ray astronomy; gammalib/ctools
Pagenumber:142
RVK - Regensburg Classification:US 1080, US 4950, US 5000
Organizational units:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
CCS Classification:E. Data / E.0 GENERAL
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 52 Astronomie / 520 Astronomie und zugeordnete Wissenschaften
MSC Classification:85-XX ASTRONOMY AND ASTROPHYSICS (For celestial mechanics, see 70F15) / 85Axx Astronomy and astrophysics (For celestial mechanics, see 70F15) / 85A05 Galactic and stellar dynamics
PACS Classification:50.00.00 PHYSICS OF GASES, PLASMAS, AND ELECTRIC DISCHARGES
90.00.00 GEOPHYSICS, ASTRONOMY, AND ASTROPHYSICS (for more detailed headings, see the Geophysics Appendix) / 95.00.00 Fundamental astronomy and astrophysics; instrumentation, techniques, and astronomical observations / 95.85.-e Astronomical observations (additional primary heading(s) must be chosen with these entries to represent the astronomical objects and/or properties studied) / 95.85.Pw gamma-ray
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