English Title: TeV gamma-ray emission from the supernova remnant Cassiopeia A : first detection with the HEGRA Cherenkov Telescope System

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Abstract

Mit dem stereoskopischen Cherenkov-Teleskop-System der HEGRA-Kollaboration wurde erstmalig TeV-Gamma-Emission des Supernova-Überrestes Cassiopeia A nachgewiesen. Die Beobachtungen wurden in den Sommermonaten der Jahre 1997 bis 1999 mit einer Beobachtungszeit von 232 Stunden durchgeführt. Das Signal hat eine statistische Signifikanz von 5 Sigma, der Fluß von Cassiopeia A oberhalb von 1 TeV wurde zu (5.8 +- 1.2(stat) +- 1.2(syst)) x 10^(-9) ph m^(-2) s^(-1) bestimmt. Dies entspricht einem Fluß von 3 des Krebsnebels und ist der niedrigste, der bisher in der TeV-Gamma-Astronomie nachgewiesen wurde. Der Schwerpunkt der TeV-Gamma-Emission wurde in absoluten Himmelskoordinaten mit einem Fehler von (+- 1.1(stat) +- 0.6(syst)) arcmin gemessen und stimmt mit der Position von Cassiopeia A in anderen Wellenlängenbereichen gut überein. Das Energiespektrum ist konsistent mit einem Potenzgesetz der Form dF/dE ~ E^alpha, der differentielle spektrale Index beträgt alpha = -2.45 +- 0.4(stat) +- 0.1(syst) zwischen 1 und 10 TeV. Der Nachweis der TeV-Gamma-Emission zeigt, daß der schalenförmige Supernova-Überrest Cassiopeia A Teilchen auf TeV-Energien beschleunigt hat. Für die weitere Interpretation wird der gemessene Fluß und insbesondere die Form des Energiespektrums mit aktuellen Modellen verglichen, die die TeV-Gamma-Emission verschiedener Teilchenpopulationen von Cassiopeia A - einerseits Hadronen, andererseits Leptonen - untersuchen. Momentan ist es allerdings nicht möglich, eindeutig darauf zu schließen, von welcher der beiden Teilchensorten die gemessene Emission herrührt.

Translation of abstract (English)

TeV gamma-ray emission from the Supernova remnant Cassiopeia A was detected for the first time. The observations were made using the HEGRA stereoscopic system of imaging atmospheric Cherenkov telescopes. 232 hours of observation time were accumulated during the summer months from 1997 to 1999. The detection has a statistical significance of 5 sigma. A flux of (5.8 +- 1.2(stat) +- 1.2(syst)) x 10^(-9) ph m^(-2) s^(-1) above 1 TeV was measured for Cassiopeia A. This corresponds to 3 of the Crab Nebula flux, and is the lowest flux detected in TeV gamma-ray astronomy so far. The center of the TeV gamma-ray emission was determined in celestial coordinates with an accuracy of (+- 1.1(stat) +- 0.6(syst)) arcmin; it agrees well with the position observed in other wavebands. The spectral distribution is consistent with a power law dF/dE ~ E^alpha with a differential spectral index of alpha = -2.45 +- 0.4(stat) +- 0.1(syst) between 1 and 10 TeV. The detection of TeV gamma-rays indicates that the shell-type supernova remnant Cassiopeia A is a site of particle acceleration to multi-TeV energies. For further interpretation, the flux and especially the shape of the energy spectrum is compared to current models which examine the TeV gamma-ray emission of different particles, either nucleons or electrons. However, the assignment of the TeV gamma-ray emission to one of the particle populations is currently not unambiguously possible.