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Beobachtungen Aktiver Galaktischer Kerne mit den H.E.S.S. Cherenkov-Teleskopen und dem Fermi-LAT im hochenergetischen γ-Bereich und Optimierung des Antriebssystems des HESS II Teleskops

Ait Benkhali, Faical

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PDF, German
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Abstract

Die γ-Astronomie eröffnet ein neues Fenster zur Erforschung des Weltalls und der Beobachtung hochenergetischer kosmischer Objekte. In Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden anhand von Beobachtungen im Energiebereich von 100 MeV bis 100 TeV mit den abbildenden Cherenkov-Teleskopen des H.E.S.S. Experiments und dem an Bord des Fermi Satelliten befindlichen Fermi-LAT γ-Strahlendetektor verschiedene extragalaktische γ-Quellen untersucht. Mit Hilfe von H.E.S.S. konnten insgesamt 21 Aktive Galaktische Kerne (AGN) mit einer statistischen Detektionssignifikanz von mehr als 4σ als TeV γ-Quellen nachgewiesen werden. Hierbei konnte ebenfalls durch die Datenauswertung Variabiltät im γ-Emissionsfluss auf Zeitskalen von Tagen mit einer Signifikanz von > 99% in neun von ihnen festgestellt werden. Zudem konnten auf Basis einer Morpholgie-Studie ihre intrinsischen Ausdehnungen im VHE γ-Bereich abgeschätzt und für die Ausrichtungsgenauigkeit der Teleskope ein mittleren Wert von (25.2 ± 1.6)” ermittelt werden. Ferner konnte anhand einer Korrelationsstudie ein starker Zusammenhang zwischen der Differenz der Spektralen Indizes im TeV und GeV γ-Bereich und der Rotverschiebung z gezeigt bzw. ohne Modellierung des EBL-Spektrums ein starker Hinweis auf den Einfluss des EBL-Effekts auf die TeV γ-Spektren erbracht werden. Dazu konnte in Einklang mit der Annahme der leptonischen SSC-Modelle hinsichtlich der Emissionsmechanismen der γ-Strahlung in Blazaren eine Leuchtkraft-Beziehung der Form Lγ ∼ LX^0.93 zwischen den Röntgen- LX und Lγ γ-Leuchtkräften aufgestellt werden. Ferner konnte eine starke Antikorrelation mit einem Korrelationskoeffizienten nach Pearson von ρ = (−0.87 ± 0.11) zwischen Γ_GeV und Γ_TeV den Spektralen Indizes der relativ nahliegenden Blazare (z ≤ 0.2) gefunden werden. Darüber hinaus wurden die Fermi-LAT Daten der HBL-Blazare PG 1553+113 und PKS 0447-439 im HE γ-Bereich mit Hilfe des Pass 8 Algorithmus analysiert. Hierzu konnte unter Einsatz des Lomb-Scargle-Periodogramms und von Bootstrap Resampling-Simulationen in den Lichtkurven dieser γ-Quellen jeweils Quasi-Periodizität mit einer statistischen Signifikanz von > 5σ nachgewiesen werden. Zur Erklärung des Verhaltens wurden neben Instabilitäten im Akkretionscheibe-Jet System und Jet-Präzessionsbewegung auch ein Binäressystem aus supermassereichen Schwarzen Löchern (SMBH) als mögliche Szenarien diskutiert. Zusätzlich wurden auf Grundlage der Spektral- bzw. Variabilitätsanalyse Hinweise auf das Vorhandensein spektraler Veränderungen in den Spektralen Energieverteilungen (SED) der Radiogalaxien Centaurus A und M87 geliefert, deren Ursache vermutlich im additiven HE γ-Emissionsbeitrag einer zusätzlichen zweiten physikalischen Komponente liegt. Des Weiteren wurde das Antriebssystem des HESS II Teleskops durch die Entwicklung zweier Überwachungssysteme zur Minimierung des Ausfallrisikos und Steigerung der Beobachtungszeit optimiert. Zum einen wurde ein System zur Überwachung der Kühlung der Servoumrichter im HESS II Antriebssystem und deren Kühlungseinheiten entworfen. Zum anderen wurde ein weiteres System zur Diagnose der strukturellen bzw. mechanischen Zustände kritischer Teleskop-Komponenten basierend auf der Vibrationsanalyse konzipiert. Danach erfolgte die Installation und Konfiguration der Hardware in Namibia, sowie die Implementierung der für beide Systeme entwicklten Steuerungssoftware im Data-Acquisition-System (DAQ). Schließlich wurden die vorläufigen Vibrationsdaten unter Verwendung der statistischen Methoden der Zeitreihenanalyse und einiger Verfahren der nichtlinearen Dynamik analysiert.

Translation of abstract (English)

γ-astronomy has opened a new window of investigation of the universe as well as high-energy cosmic objects. In this study, several extragalactic γ-ray sources were analysed within an energy range of 100 MeV and 100 TeV. Observations were made with the H.E.S.S. experiment at TeV energies as well as the spacebased Fermi-LAT at GeV energies. A total of 21 Active Galactic Nuclei (AGN) were detected with H.E.S.S. and confirmed as TeV γ-ray emitters with a statistical detection significance of more than 4σ. Nine of these sources show a variability on daily timescales at a > 99% confidence level. A study on their source morphology was carried out and their intrinsic extensions within the VHE γ-ray range were estimated. The pointing accuracy of the telescopes were determined as (25.2 ± 1.6)”. Furthermore, a strong correlation between the difference in spectral indices in the TeV and GeV energy range and their respective redshifts was shown. Therefore, strong evidence for the influence of the EBL effect on the TeV γ-ray spectra was found without modelling the EBL Spectrum. Additionally, probing leptonic SSC models of emission mechanisms of γ-rays in blazars, a luminosity relation of the form Lγ ∼ LX^0.93 between X-ray and γ-ray luminosities was empirically derived and a strong anti-correlation was found between GeV and TeV spectral indices of relatively close blazars (z ≤ 0.2) with a Pearson correlation coefficient of ρ = (−0.87 ± 0.11). Fermi-LAT data of the HBL blazars PG 1553+113 and PKS 0447-439 were analysed in the high-energy (HE) γ-ray energy range using Pass 8 algorithms. Accordingly, by use of the Lomb-Scargle-Periodogram and bootstrap resampling simulations, quasi-periodicity within their respective light curves could be verified with a significance of > 5σ. In order to explain this behaviour, instabilities in the accretion disk-jet system, jet-precession movement and a binary system of supermassive black holes (SMBH) were discussed. Additionally, based on spectral and variability analyses, hints of spectral changes within the spectral energy distribution (SED) of the radio galaxies Centaurus A and M87 were found. The origin of these spectral features could be due to the additive HE γ-ray emission contribution of an additional second physical component. The drive system of HESS II was optimized by introducing two monitoring systems, which has led to a minimized risk of failure as well as an increased observation time. A system was developed for monitoring the cooling of servo controllers in the HESS II drive system and their respective cooling units. An additional system was devised for the diagnosis and monitoring of critical structural and mechanical telescope components based on a vibrational analysis. The installation and configuration of hardware was conducted in Namibia as well as implementation of control software for both systems in the DataAcquisition-System (DAQ). Eventually, preliminary vibration data was analysed with statistical methods of time series analysis and some methods of nonlinear dynamics.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Hofmann, Prof. Dr. Werner
Place of Publication: Heidelberg
Date of thesis defense: 3 May 2017
Date Deposited: 09 Nov 2017 09:14
Date: 2017
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Dekanat der Fakultät für Physik und Astronomie
Subjects: 520 Astronomy and allied sciences
530 Physics
Controlled Keywords: AGN, HESS, Gamma-Astronomie
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