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Eta Carinae

Eta Carinae

  • The exceptional binary star Eta Carinae has been fascinating scientists and the people in the Southern hemisphere alike for hundreds of years. It survived an enormous outbreak, comparable to a supernova energy-wise, and for a short period became the brightest star of the night sky. From observations from the radio regime to X-rays the system's characteristics and its emission in photon energies up to ~ 50 keV are well studied today. The binary is composed of two massive stars of ~ 30 and ~ 100 solar masses. Either star drives a strong stellar wind that continuously carries away a fraction of its mass. The collision of these winds leads to a shock on each side of the encounter. In the wind-wind-collision region plasma gets heated when it is overrun by the shocks. Part of the emission seen in X-rays can be attributed to this plasma. Above ~ 50 keV the emission is no longer of thermal origin: the required plasma temperature exceeds the available mechanical energy input of the stellar winds. In contrast to its observational history inThe exceptional binary star Eta Carinae has been fascinating scientists and the people in the Southern hemisphere alike for hundreds of years. It survived an enormous outbreak, comparable to a supernova energy-wise, and for a short period became the brightest star of the night sky. From observations from the radio regime to X-rays the system's characteristics and its emission in photon energies up to ~ 50 keV are well studied today. The binary is composed of two massive stars of ~ 30 and ~ 100 solar masses. Either star drives a strong stellar wind that continuously carries away a fraction of its mass. The collision of these winds leads to a shock on each side of the encounter. In the wind-wind-collision region plasma gets heated when it is overrun by the shocks. Part of the emission seen in X-rays can be attributed to this plasma. Above ~ 50 keV the emission is no longer of thermal origin: the required plasma temperature exceeds the available mechanical energy input of the stellar winds. In contrast to its observational history in thermal energies observational evidence of Eta Carinae's non-thermal emission has only recently built up. In high-energy gamma-rays Eta Carinae is the only binary of its kind that has been detected unambiguously. Its energy spectrum reaches up to ~ hundred GeV, a regime where satellite-based gamma-ray experiments run out of statistics. Ground-based gamma-ray experiments have the advantage of large photon collection areas. H.E.S.S. is the only gamma-ray experiment located in the Southern hemisphere and thus able to observe Eta Carinae in this energy range. H.E.S.S. measures gamma-rays via electromagnetic showers of particles that very-high-energy gamma-rays initiate in the atmosphere. The main challenge in observations of Eta Carinae with H.E.S.S. is the UV emission of the Carina nebula that leads to a background that is up to 10 times stronger than usual for H.E.S.S. This thesis presents the first detection of a colliding-wind binary in very-high-energy gamma-rays and documents the studies that led to it. The differential gamma-ray energy spectrum of Eta Carinae is measured up to 700 GeV. A hadronic and leptonic origin of the gamma-ray emission is discussed and based on the comparison of cooling times a hadronic scenario is favoured.show moreshow less
  • Das außergewöhnliche Doppelsternsystem Eta Carinae fasziniert WissenschaftlerInnen und BeobachterInnen auf der südlichen Erdhalbkugel seit hunderten Jahren. Nach einem Supernova-ähnlichem Ausbruch war Eta Carinae zeitweise der hellste Stern am Nachthimmel. Heute sind durch zahlreiche Beobachtungen, von Radiowellen bis zu Röntgenstrahlung, der Aufbau des Sternsystems und die Eigenschaften seiner Strahlung bis zu Energien von ~ 50 keV gut erforscht. Das Doppelsternsystem besteht aus zwei massiven Sternen (~ 30 und ~ 100 Sonnenmassen Gewicht) mit starken Sternwinden, über die sie kontinuierlich einen Teil ihrer Masse verlieren. Wenn diese Sternwinde kollidieren, entsteht auf beiden Seiten ein Kompressionsschock der das Plasma in der Kollisionszone aufheizt, was sich in Röntgenstrahlung beobachten lässt. Bei Energien oberhalb von ~ 50 keV ist der Ursprung der Strahlung nicht mehr thermisch: um ein Plasma auf die entsprechende Temperatur zu bringen, wird mehr mechanische Energie benötigt, als in den Sternwinden vorhanden. InDas außergewöhnliche Doppelsternsystem Eta Carinae fasziniert WissenschaftlerInnen und BeobachterInnen auf der südlichen Erdhalbkugel seit hunderten Jahren. Nach einem Supernova-ähnlichem Ausbruch war Eta Carinae zeitweise der hellste Stern am Nachthimmel. Heute sind durch zahlreiche Beobachtungen, von Radiowellen bis zu Röntgenstrahlung, der Aufbau des Sternsystems und die Eigenschaften seiner Strahlung bis zu Energien von ~ 50 keV gut erforscht. Das Doppelsternsystem besteht aus zwei massiven Sternen (~ 30 und ~ 100 Sonnenmassen Gewicht) mit starken Sternwinden, über die sie kontinuierlich einen Teil ihrer Masse verlieren. Wenn diese Sternwinde kollidieren, entsteht auf beiden Seiten ein Kompressionsschock der das Plasma in der Kollisionszone aufheizt, was sich in Röntgenstrahlung beobachten lässt. Bei Energien oberhalb von ~ 50 keV ist der Ursprung der Strahlung nicht mehr thermisch: um ein Plasma auf die entsprechende Temperatur zu bringen, wird mehr mechanische Energie benötigt, als in den Sternwinden vorhanden. In hoch-energetischer Gamma-Strahlung ist Eta Carinae das einzige eindeutig detektierte Sternsystem seiner Art und sein Energiespektrum reicht bis zu ~ hundert GeV. Bodengebundene Gamma-Strahlungsexperimente haben in diesem Energiebereich den Vorteil von großen Detektorflächen. H.E.S.S. ist das einzige bodengebundene Gamma-Strahlungsexperiment auf der Südhalbkugel und somit in der Lage, Eta Carinae in diesen Energien zu beobachten. H.E.S.S. misst Gamma-Strahlung mit Hilfe der elektromagnetischen Teilchenschauer, die sehr hoch-energetische Photonen in der Atmosphäre auslösen. Die größte Herausforderung der Messung von Eta Carinaes Strahlung mit H.E.S.S. ist die ultraviolette Strahlung des Carina Nebels, die zu einem Hintergrund führt, der bis zu zehn mal stärker ist als der Durchschnitt in H.E.S.S. In dieser Arbeit wird die erste Detektion eines Doppelsternsystems mit kollidierenden Sternwinden in sehr hoch-energetischer Gamma-Strahlung präsentiert und die Studien, die diese ermöglicht haben. Das differentielle Gamma-Strahlungsspektrum bis 700 GeV wird untersucht. Hadronische und leptonische Szenarios für den Ursprung der Gamma-Strahlung werden diskutiert und das hadronische Szenario wird aufgrund eines Vergleichs der Kühlzeiten bevorzugt.show moreshow less

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Metadaten
Author:Eva LeserORCiD
URN:urn:nbn:de:kobv:517-opus4-428141
DOI:https://doi.org/10.25932/publishup-42814
Subtitle (English):detection and characterisation of the first colliding-wind binary in very-high-energy gamma-rays with H.E.S.S.
Subtitle (German):Detektion und Charakterisierung des ersten Binärsternsystems mit kollidierenden Sternwinden in sehr hoch-energetischer Gammastrahlung mit H.E.S.S.
Referee:Christian StegmannGND, Jörn WilmsGND, Marek KowalskiORCiDGND
Advisor:Christian Stegmann
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2018
Publishing Institution:Universität Potsdam
Granting Institution:Universität Potsdam
Date of final exam:2019/04/10
Release Date:2019/05/22
Tag:Astroteilchen; Gammaastronomie; H.E.S.S.
Eta Carinae; H.E.S.S.; astroparticle
Pagenumber:X, 117
RVK - Regensburg Classification:US 1670
Organizational units:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Physik und Astronomie
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)
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