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Optical Efficiency Calibration for Inhomogeneous IACT Arrays and a Detailed Study of the Highly Extended Pulsar Wind Nebula HESS J1825-137

Mitchell, Alison Mairi Wallace

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Abstract

Very High Energy (VHE) Gamma-ray astronomy using Imaging Atmospheric Cherenkov Telescopes (IACTs) is entering an era of hybrid arrays (such as H.E.S.S. II and CTA), comprising telescopes of varied specifications to enhance the accessible energy range and angular resolution. New algorithms for telescope optical efficiency calibration are developed and adapted for multi-type arrays, for both absolute light yield calibration using muons, and for relative calibration through comparison of shower images. In comparison to previous methods, the stability and flexibility of these algorithms are considerably improved. These will play an important role for the future CTA observatory. The use of multi-type IACT arrays in providing an increased understanding of astrophysical objects and environments is demonstrated through an in-depth study of the Pulsar Wind Nebula HESS J1825-137, known to be highly extended with the presence of strong energy dependent morphology. In particular, measurements of HESS J1825-137 across the entire available energy range allow the particle transport inside the nebula to be constrained, favouring advection over diffusion as the dominant mechanism. Together with X-ray data, a map of the magnetic field of the nebula can be made through spectral modelling. It will also be shown that HESS J1825-137, at 100 pc across, is one of the biggest pulsar wind nebulae to have been discovered yet.

Translation of abstract (German)

Die sehr hochenergetische Gamma-Astronomie mit Imaging Atmospheric Cherenkov Telescopes (IACTs) betritt gerade eine neue Ära, in der Teleskope verschiedener Bauart in hybride Arrays (wie H.E.S.S. II und CTA) zusammengefasst werden, um den erfassbaren Energiebereich zu vergrößern und Winkelauflösung zu verbessern. Sowohl für absolute Lichtausbeutekalibration mit Myonen, als auch für relative Kalibration durch den Vergleich von Luftschauerbildern, werden neue Kalibrations-Algorithmen für die Optische Effizienz des Teleskopes entwickelt, und für hybride Arrays angepasst. Im Vergleich zu vorherigen Methoden wird die stabilität und flexibilität der Kalibrations Algorithm deutlich verbessert. Dies wird für das zukunftige CTA Observatorium eine wichtige Rolle spielen. Anhand einer ausführlichen Studie des Pulsar Wind Nebels HESS J1825-137, bekannt als sehr ausgedehnt und mit starker energie-abhängiger Morphologie, wird gezeigt dass hybride IACT Arrays zum einen erhöherten Verständnis astrophysikalischer Objekte und ihre Umgebungen beitragen können. Insbesondere ermöglichen Messungen von HESS J1825-137 über den gesamten verfügbaren Energiebereich verschiedene Modelle von Teilchenstransport (innerhalb des Nebels) einzuschränken. Advektion wird gegenüber Diffusion als der dominierende Mechanismus bevorzugt. Zusammen mit Röntgendaten kann durch spektrale Modellierung eine Karte des Magnetfeldes des Nebels erstellt werden. Es wird auch gezeigt, dass HESS J1825-137 mit ~100 pc einer der größten Pulsar Wind Nebels ist die bisher entdeckt wurden.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Hofmann, Prof. Dr. Werner
Date of thesis defense: 28 July 2016
Date Deposited: 24 Aug 2016 09:45
Date: 2016
Faculties / Institutes: Service facilities > Max-Planck-Institute allgemein > MPI for Nuclear Physics
Subjects: 520 Astronomy and allied sciences
530 Physics
Uncontrolled Keywords: Gamma-ray, Cherenkov, Calibration, optical efficiency, pulsar wind nebula
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