Alina Wilhelm

• Supernova remnants (SNRs) are discussed as the most promising sources of galactic cosmic rays (CR). The diffusive shock acceleration (DSA) theory predicts particle spectra in a rough agreement with observations. Upon closer inspection, however, the photon spectra of observed SNRs indicate that the particle spectra produced at SNRs shocks deviate from the standard expectation. This work suggests a viable explanation for a softening of the particle spectra in SNRs. The basic idea is the re-acceleration of particles in the turbulent region immediately downstream of the shock. This thesis shows that at the re-acceleration of particles by the fast-mode waves in the downstream region can be efficient enough to impact particle spectra over several decades in energy. To demonstrate this, a generic SNR model is presented, where the evolution of particles is described by the reduced transport equation for CR. It is shown that the resulting particle and the corresponding synchrotron spectra are significantly softer compared to the standard case.Supernova remnants (SNRs) are discussed as the most promising sources of galactic cosmic rays (CR). The diffusive shock acceleration (DSA) theory predicts particle spectra in a rough agreement with observations. Upon closer inspection, however, the photon spectra of observed SNRs indicate that the particle spectra produced at SNRs shocks deviate from the standard expectation. This work suggests a viable explanation for a softening of the particle spectra in SNRs. The basic idea is the re-acceleration of particles in the turbulent region immediately downstream of the shock. This thesis shows that at the re-acceleration of particles by the fast-mode waves in the downstream region can be efficient enough to impact particle spectra over several decades in energy. To demonstrate this, a generic SNR model is presented, where the evolution of particles is described by the reduced transport equation for CR. It is shown that the resulting particle and the corresponding synchrotron spectra are significantly softer compared to the standard case. Next, this work outlines RATPaC, a code developed to model particle acceleration and corresponding photon emissions in SNRs. RATPaC solves the particle transport equation in test-particle mode using hydrodynamic simulations of the SNR plasma flow. The background magnetic field can be either computed from the induction equation or follows analytic profiles. This work presents an extended version of RATPaC that accounts for stochastic re-acceleration by fast-mode waves that provide diffusion of particles in momentum space. This version is then applied to model the young historical SNR Tycho. According to radio observations, Tycho’s SNR features the radio spectral index of approximately −0.65. In previous modeling approaches, this fact has been attributed to the strongly distinctive Alfvénic drift, which is assumed to operate in the shock vicinity. In this work, the problems and inconsistencies of this scenario are discussed. Instead, stochastic re-acceleration of electrons in the immediate downstream region of Tycho’s SNR is suggested as a cause for the soft radio spectrum. Furthermore, this work investigates two different scenarios for magnetic-field distributions inside Tycho’s SNR. It is concluded that magnetic-field damping is needed to account for the observed filaments in the radio range. Two models are presented for Tycho’s SNR, both of them feature strong hadronic contribution. Thus, a purely leptonic model is considered as very unlikely. Additionally, to the detailed modeling of Tycho’s SNR, this dissertation presents a relatively simple one-zone model for the young SNR Cassiopeia A and an interpretation for the recently analyzed VERITAS and Fermi-LAT data. It shows that the γ-ray emission of Cassiopeia A cannot be explained without a hadronic contribution and that the remnant accelerates protons up to TeV energies. Thus, Cassiopeia A is found to be unlikely a PeVatron.…
• Supernovaüberreste werden als meistversprechende Quellen für die galaktische kosmische Strahlung angesehen. Die Theorie der diffusen Schockbeschleunigung prognostiziert ein Teilchenspektrum, das grob mit den Beobachtungen übereinstimmt. Dennoch weisen die Emissionsspektren von mehreren Supernovaüberresten bei näherer Betrachtung darauf hin, dass die an der Schockwelle erzeugten Teilchenspektren von der üblichen Erwartung abweichen. Im Rahmen dieser Dissertation wird eine tragfähige Erklärung für die weicheren Teilchenspektren in Supernovaüberresten vorgestellt. Die Grundidee ist dabei eine Nachbeschleunigung von Teilchen in einem turbulenten Bereich stromabwärts unmittelbar hinter der Stoßfront. Die vorliegende Arbeit demonstriert, dass die Nachbeschleunigung von Teilchen mittels der schnellen magnetoakustischen Wellen direkt hinter dem Shock das Teilchenspektrum signifikant beeinflussen kann. Um dies zu zeigen, wird ein generisches Modell für Supernovaüberreste benutzt, bei dem die Zeitentwicklung der Teilchen durch die reduzierteSupernovaüberreste werden als meistversprechende Quellen für die galaktische kosmische Strahlung angesehen. Die Theorie der diffusen Schockbeschleunigung prognostiziert ein Teilchenspektrum, das grob mit den Beobachtungen übereinstimmt. Dennoch weisen die Emissionsspektren von mehreren Supernovaüberresten bei näherer Betrachtung darauf hin, dass die an der Schockwelle erzeugten Teilchenspektren von der üblichen Erwartung abweichen. Im Rahmen dieser Dissertation wird eine tragfähige Erklärung für die weicheren Teilchenspektren in Supernovaüberresten vorgestellt. Die Grundidee ist dabei eine Nachbeschleunigung von Teilchen in einem turbulenten Bereich stromabwärts unmittelbar hinter der Stoßfront. Die vorliegende Arbeit demonstriert, dass die Nachbeschleunigung von Teilchen mittels der schnellen magnetoakustischen Wellen direkt hinter dem Shock das Teilchenspektrum signifikant beeinflussen kann. Um dies zu zeigen, wird ein generisches Modell für Supernovaüberreste benutzt, bei dem die Zeitentwicklung der Teilchen durch die reduzierte Transportgleichung der kosmischen Strahlung beschrieben wird. Es zeigt sich, dass die resultierenden Teilchen- sowie dazugehörigen Synchrotronspektren im Vergleich zum Standardfall deutlich weicher sind. Als Nächstes beschreibt diese Dissertation einen Code namens RATPaC, der zur Modellierung der Teilchenbeschleunigung und entsprechenden Photonenemissionen in Supernovaüberresten entwickelt wurde. RATPaC löst die Transportgleichung der kosmischen Strahlung im Test-Teilchen-Regime unter Verwendung hydrodynamischer Simulationen für den Plasmastrom eines Supernovaüberrestes. Das Magnetfeld kann entweder mithilfe der Induktionsgleichung berechnet werden oder folgt einer analytischen Verteilung. Diese Arbeit präsentiert eine erweiterte Version von RATPaC, die unter anderem die stochastische Nachbeschleunigung mittels der schnellen magnetoakustischen Wellen und damit die Teilchendiffusion im Impulsraum enthält. Diese Version wird angewendet, um den jungen historischen Supernovaüberrest Tycho zu modellieren. Gemäß den Beobachtungen im Radiobereich weist Tycho einen spektralen Index von ungefähr -0.65 auf. In den früheren Modellierungsansätzen wurde diese Tatsache dem stark ausgeprägten Alfvénischen Drift in der Schockumgebung zugeschrieben. Im Rahmen dieser Arbeit werden Probleme und Inkonsistenzen dieses Szenarios erläutert und diskutiert. Die Nachbeschleunigung von Elektronen unmittelbar stromabwärts hinter dem Schock wird stattdessen als mögliche Ursache für das weiche Photonenspektrum im Radiobereich vorgeschlagen. Darüber hinaus werden in dieser Dissertation zwei unterschiedliche Szenarien für die Magnetfeldverteilung in Tychos Supernovaüberrest untersucht. Es wird festgestellt, dass die Dämpfung des Magnetfeldes erforderlich ist, um die beobachteten Filamente im Radiobereich zu erklären. Insgesamt werden zwei Modelle für Tychos Supernovaüberrest vorgestellt, die beide einen ausgeprägten hadronischen Beitrag aufweisen. Daraus wird festgestellt, dass ein rein leptonishes Model äußerst unwahrscheinlich ist. Zusätzlich zur detaillierten Modellierung von Tycho präsentiert diese Dissertation ein relativ einfaches Ein-Zonen-Modell für den jungen Supernovaüberrest Cassiopeia A und eine Interpretation für seine vor Kurzem analysierten VERITAS- und Fermi-LAT-Daten. Im Rahmen dieser Arbeit wird gezeigt, dass die -Strahlung von Cassiopeia A ohne einen hadronischen Beitrag nicht erklärt werden kann. Der Überrest soll dabei Protonen bis auf TeV-Energielevel beschleunigen. Somit ist es sehr unwahrscheinlich, dass es sich bei Cassiopeia A um ein PeVatron handelt.…