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Pulsar Wind Nebulae with H.E.S.S.: Establishing a Connection between high-power Pulsars and very-high-energy gamma-ray Sources

Carrigan, Svenja

German Title: Pulsar-Wind-Nebel mit H.E.S.S.: Ein Zusammenhang zwischen energetischen Pulsaren und Quellen sehr hochenergetischer Gamma-Strahlung

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Abstract

Pulsars energise particles into lighthouse pencil beams and create extended relativistic outflows, pulsar wind nebulae (PWNe). In the very-high-energy (VHE) gamma-ray wave band, these PWNe represent to date the most populous class of Galactic sources. Nevertheless, the details of the energy conversion mechanisms in the vicinity of pulsars are not well understood, nor is it known which pulsars are able to drive PWNe and emit high-energy radiation. Due to its large field of view and unprecedented sensitivity, H.E.S.S. is the first instrument to allow for deep surveys of the Galactic plane in VHE gamma rays. This work presents the first ever systematic investigation of the connection of VHE gamma-ray sources and PWNe. Besides presenting two new candidate PWNe detected in this search, it is shown that pulsars with large spin-down energy flux are indeed with high probability associated with VHE gamma-ray sources, implying the existence of an efficient mechanism by which a large fraction of pulsar spin-down energy is converted into kinetic energy of particles. The results presented here make it very likely that future more sensitive VHE gamma-ray instruments will detect a rapidly increasing number of lower-luminosity PWNe.

Translation of abstract (German)

Wie kosmische Leuchttuerme strahlen Pulsare energiegeladene Teilchen entlang ihrer Magnetfeldachsen ab und erzeugen ausgedehnte relativistische Pulsar-Wind-Nebel (PWN). Im Wellenlaengenbereich der sehr hochenergetischen Gamma-Strahlung sind PWN momentan die zahlenmaessig dominante Klasse galaktischer Quellen. Trotzdem sind die Mechanismen der Energieumwandlung in Pulsaren schlecht verstanden und es ist nicht bekannt, welche Pulsare PWN und sehr hochenergetische Strahlung erzeugen koennen. Aufgrund des grossen Gesichtsfelds und der beispiellosen Sensitivitaet ist H.E.S.S. das erste Experiment, fuer welches eine Durchmusterung ueber grosse Bereiche der galaktischen Ebene im Bereich sehr hochenergetischer Gamma-Strahlung moeglich ist. Diese Arbeit berichtet von der ersten systematischen Erforschung des Zusammenhangs zwischen Quellen sehr hochenergetischer Gamma-Strahlung und PWN. Neben der Praesentation zweier neuer PWN Kandidaten, die im Rahmen dieser Suche gefunden wurden, wird gezeigt, dass Pulsare mit hohem Spin-Down-Energiefluss tatsaechlich mit hoher Wahrscheinlichkeit mit Quellen sehr hochenergetischer Gamma-Strahlung verbunden sind. Das setzt die Existenz eines effizienten Mechanismus voraus, der einen grossen Teil der Spin-Down-Energie des Pulsars in kinetische Energie von Teilchen umwandelt. Diese Ergebnisse suggerieren, dass zukuenftige, sensitivere Instrumente zur Detektion sehr hochenergetischer Gamma-Strahlung eine rasch anwachsende Zahl PWN niedrigerer Luminositaet entdecken werden.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Hofmann, Prof. Werner
Date of thesis defense: 25 July 2007
Date Deposited: 02 Aug 2007 13:49
Date: 2007
Faculties / Institutes: Service facilities > Max-Planck-Institute allgemein > MPI for Nuclear Physics
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: Pulsar
Uncontrolled Keywords: HESS , sehr hochenergetische Gamma-StrahlungPulsars , very-high-energy gamma-rays , HESS
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