Search for gamma-ray emission from bow shocks of runaway stars

Suche nach Gammastrahlungsemission aus Bugwellen von Schnellläufersternen

  • The mystery of the origin of cosmic rays has been tackled for more than hundred years and is still not solved. Cosmic rays are detected with energies spanning more than 10 orders of magnitude and reaching energies up to ~10²¹ eV, far higher than any man-made accelerator can reach. Different theories on the astrophysical objects and processes creating such highly energetic particles have been proposed. A very prominent explanation for a process producing highly energetic particles is shock acceleration. The observation of high-energy gamma rays from supernova remnants, some of them revealing a shell like structure, is clear evidence that particles are accelerated to ultrarelativistic energies in the shocks of these objects. The environments of supernova remnants are complex and challenge detailed modelling of the processes leading to high-energy gamma-ray emission. The study of shock acceleration at bow shocks, created by the supersonic movement of individual stars through the interstellar medium, offers a unique possibility toThe mystery of the origin of cosmic rays has been tackled for more than hundred years and is still not solved. Cosmic rays are detected with energies spanning more than 10 orders of magnitude and reaching energies up to ~10²¹ eV, far higher than any man-made accelerator can reach. Different theories on the astrophysical objects and processes creating such highly energetic particles have been proposed. A very prominent explanation for a process producing highly energetic particles is shock acceleration. The observation of high-energy gamma rays from supernova remnants, some of them revealing a shell like structure, is clear evidence that particles are accelerated to ultrarelativistic energies in the shocks of these objects. The environments of supernova remnants are complex and challenge detailed modelling of the processes leading to high-energy gamma-ray emission. The study of shock acceleration at bow shocks, created by the supersonic movement of individual stars through the interstellar medium, offers a unique possibility to determine the physical properties of shocks in a less complex environment. The shocked medium is heated by the stellar and the shock excited radiation, leading to thermal infrared emission. 28 bow shocks have been discovered through their infrared emission. Nonthermal radiation in radio and X-ray wavelengths has been detected from two bow shocks, pointing to the existence of relativistic particles in these systems. Theoretical models of the emission processes predict high-energy and very high-energy emission at a flux level in reach of current instruments. This work presents the search for gamma-ray emission from bow shocks of runaway stars in the energy regime from 100MeV to ~100TeV. The search is performed with the large area telescope (LAT) on-board the Fermi satellite and the H.E.S.S. telescopes located in the Khomas Highland in Namibia. The Fermi-LAT was launched in 2008 and is continuously scanning the sky since then. It detects photons with energies from 20MeV to over 300 GeV and has an unprecedented sensitivity. The all-sky coverage allows us to study all 28 bow shocks of runaway stars listed in the E-BOSS catalogue of infrared bow shocks. No significant emission was detected from any of the objects, although predicted by several theoretical models describing the non-thermal emission of bow shocks of runaway stars. The H.E.S.S. experiment is the most sensitive system of imaging atmospheric Cherenkov telescopes. It detects photons from several tens of GeV to ~100TeV. Seven of the bow shocks have been observed with H.E.S.S. and the data analysis is presented in this thesis. The analyses of the very-high energy data did not reveal significant emission from any of the sources either. This work presents the first systematic search for gamma-ray emission from bow shocks of runaway stars. For the first time Fermi-LAT data was specifically analysed to reveal emission from bow shocks of runaway stars. In the TeV regime no searches for emission from theses objects have been published so far, the study presented here is the first in this energy regime. The level of the gamma-ray emission from bow shocks of runaway stars is constrained by the calculated upper limits over six orders in magnitude in energy. The upper limits calculated for the bow shocks of runaway stars in the course of this work, constrain several models. For the best candidate, ζ Ophiuchi, the upper limits in the Fermi-LAT energy range are lower than the predictions by a factor ~5. This challenges the assumptions made in this model and gives valuable input for further modelling approaches. The analyses were performed with the software packages provided by the H.E.S.S. and Fermi collaborations. The development of a unified analysis framework for gamma-ray data, namely GammaLib/ctools, is rapidly progressing within the CTA consortium. Recent implementations and cross-checks with current software frameworks are presented in the Appendix.show moreshow less
  • Das Rätsel des Ursprungs der kosmischen Strahlung wird seit über 100 Jahren angegangen und ist noch immer nicht gelöst. Kosmische Strahlung wird mit Energien die zehn Größenordnungen überspannen gemessen und erreicht Energien bis zu ~10²¹ eV, weit höher als irgendein menschengemachter Beschleuniger erzeugen kann. Verschiedene Theorien über die astrophysikalischen Objekte und Prozesse, die solch hochenergetische Teilchen erzeugen können, wurden vorgeschlagen. Eine prominente Erklärung für einen Prozess, der hochenergetische Teilchen erzeugt ist Schockbeschleunigung. Die Detektion von hochenergetischer Gammastrahlung von Supernovaüberresten, von denen einige schalenförmige Strukturen offenbarten, ist ein klarer Beweis für die Beschleunigung von Teilchen zu ultrarelativistischen Energien in den Schocks dieser Objekte. Die Umgebung von Supernovaüberresten ist komplex und das detaillierte Modellieren der Prozesse die zu hochenergetischer Gammastrahlung führen herausfordernd. Die Untersuchung vonDas Rätsel des Ursprungs der kosmischen Strahlung wird seit über 100 Jahren angegangen und ist noch immer nicht gelöst. Kosmische Strahlung wird mit Energien die zehn Größenordnungen überspannen gemessen und erreicht Energien bis zu ~10²¹ eV, weit höher als irgendein menschengemachter Beschleuniger erzeugen kann. Verschiedene Theorien über die astrophysikalischen Objekte und Prozesse, die solch hochenergetische Teilchen erzeugen können, wurden vorgeschlagen. Eine prominente Erklärung für einen Prozess, der hochenergetische Teilchen erzeugt ist Schockbeschleunigung. Die Detektion von hochenergetischer Gammastrahlung von Supernovaüberresten, von denen einige schalenförmige Strukturen offenbarten, ist ein klarer Beweis für die Beschleunigung von Teilchen zu ultrarelativistischen Energien in den Schocks dieser Objekte. Die Umgebung von Supernovaüberresten ist komplex und das detaillierte Modellieren der Prozesse die zu hochenergetischer Gammastrahlung führen herausfordernd. Die Untersuchung von Schockbeschleunigung an Bugwellen, die durch individuelle Sterne erzeugt werden, die sich mit Überschallgeschwindigkeit durch das interstellare Medium bewegen, bietet die einmalige Gelegenheit die physikalischen Eigenschaften von Schocks in einer weniger komplexen Umgebung zu bestimmen. Das komprimierte ("geschockte") Medium wird durch die Strahlung des Sterns und die durch den Schock angeregte Strahlung erhitzt und sendet infolgedessen thermische Infrarot-Strahlung aus. Nichtthermische Strahlung, die auf die Existenz von relativistischen Teilchen hinweist, wurde von zwei Bugwellen in Radio- und Röntgen-Wellenlängen gemessen. Theoretische Modelle der Strahlungsprozesse sagen hochenergetische und sehr hochenergetische Strahlung auf einem Niveau, welches mit aktuellen Instrumenten gemessen werden kann, voraus. Diese Arbeit präsentiert die Suche nach hochenergetischer Gammastrahung von Bugwellen von Schnellläufersternen in einem Energiebereich von 100MeV bis ~100TeV. Diese Suche wird mit dem "large area telescope"(LAT) an Bord des Fermi Satelliten und den H.E.S.S. Teleskopen, die im Khomas Hochland in Namibia in Betrieb sind, durchgeführt. Der Fermi Satellit wurde 2008 gestartet und das Fermi-LAT durchmustert seitdem kontinuierlich den Himmel. Es detektiert Photonen im Energiebereich von 20MeV bis über 300GeV und hat eine noch nie dagewesene Sensitivität. Die Abdeckung des gesamten Himmels erlaubt es alle 28 Bugwellen von Schnellläufersternen, die im E-BOSS Katalog aufgelistet sind, zu untersuchen. Von keiner der Bugwellen der Schnellläufersterne konnte signifikante Strahlung nachgewiesen werden, obwohl diese von theoretischen Modellen, die die nichtthermische Emission von Bugwellen von Schnellläufersternen beschreiben, vorausgesagt wurde. Das H.E.S.S. Experiment ist das sensitivste System von abbildenden Cherenkovteleskopen. Es kann Photonen mit Energien von einigen zehn GeV bis zu ~100TeV nachweisen. Sieben der Bugwellen von Schnellläufersternen wurden mit H.E.S.S. beobachtet und die Analyse der Daten wird in dieser Arbeit präsentiert. Auch die Analysen der sehr hochenergetischen Strahlung enthüllten keine signifikante Strahlung aus den Bugwellen der Schnellläufersterne. Diese Arbeit stellt die erste systematische Suche nach Gammastrahlung aus Bugwellen von Schnellläufersternen vor. Zum ersten Mal wurden Fermi-LAT Daten speziell zur Suche nach Emission von diesen Objekten analysiert. Im TeV-Energiebereich wurden bisher noch keine Suchen nach Gammastrahlung von Schnellläufersternen publiziert, die hier vorgestellte Studie ist also die erste in diesem Energiebereich. Das Niveau des Gammastrahlungflusses von Schnellläufersternen wird über einen sechs Größenordnungen überspannenden Energiebereich eingeschränkt. Die oberen Grenzen des Gammastrahlungs usses aus Bugwellen von Schnellläufersternen schränken verschiedene Modelle ein. Für den besten Kandidaten, ζ Ophiuchi, liegen die berechneten oberen Grenzen im Fermi-LAT Energiebereich einen Faktor ~5 unter den Vorhersagen. Dies fordert die Annahmen des Modells heraus und liefert wertvolle Bedingungen für weitere Modellierungsansätze. Die präsentierten Analysen wurden mit den Softwarepakten, die von den Fermi und H.E.S.S. Kollaborationen zur Verfügung gestellt werden, durchgeführt. Die Entwicklung einer gemeinsamen Analyseumgebung namens GammaLib/ctools wird im Rahmen des CTA Konsortiums umgesetzt. Neue Implementierungen und Gegenproben zu den momentanen Analyseumgebungen werden im Anhang präsentiert.show moreshow less

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Metadaten
Author:Anneli Schulz
URN:urn:nbn:de:kobv:517-opus4-73905
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:2015/01/23
Release Date:2015/03/20
Tag:Bugwellenschocks; Fermi-LAT; GammaLib/ctools; Gammastrahlungsastronomie; H.E.S.S.; Schnellläufersterne
Fermi; H.E.S.S; bow shocks; gamma-ray astronomy; gammalib/ctools; runaway stars
Pagenumber:123
RVK - Regensburg Classification:US 1080, US 4600
Organizational units:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Physik und Astronomie
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 52 Astronomie / 520 Astronomie und zugeordnete Wissenschaften
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