German Title: Hochenergetische Gamma-Strahlung von passiven supermassereichen Schwarzen Löchern

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Abstract

The H.E.S.S. experiment, an array of four Imaging Cherenkov Telescopes, widened the horizon of Very High Energy (VHE) astronomy. Its unprecedented sensitivity is well suited for the study of new classes of expected VHE emitters, such as passive galactic nuclei that are the main focus of the work presented in this thesis. Acceleration of particles up to Ultra High Energies is expected in the magnetosphere of supermassive black holes (SMBH). The radiation losses of these accelerated particles are expected to reach the VHE regime in which H.E.S.S. operates. Predicted fluxes exceed the sensitivity of the array. However, strong photon fields in the surrounding of the acceleration region might absorb the produced radiation. Therefore observations focus on those galactic nuclei that are underluminous at lower photon energies. This work presents data collected by the H.E.S.S. telescopes on the test candidate NGC 1399 and their interpretation. While no detection has been achieved, important constraints can be derived from the obtained upper limits on the maximum energy attainable by the accelerated particles and on the magnetic field strength in the acceleration region. A limit on the magnetic field of B<74 Gauss is given. The limit is model dependent and a scaling of the result with the assumptions is given. This is the tightest empirical constraint to date. Because of the lack of signal from the test candidate, a stacking analysis has been performed on similar sources in three cluster fields. A search for signal from classes of active galactic nuclei has also been made in the same three fields. None of the analyzed samples revealed a significant signal. Also presented are the expectations for the next generation of Cherenkov Telescopes and an outlook on the relativistic effects expected on the VHE emission close to SMBH.

Translation of abstract (German)

Das H.E.S.S. Experiment, eine Anordnung von vier abbildenden atmosphärischen Cherenkov-Teleskopen, erweiterte den Horizont der hochenergetischen Gamma-Astronomie. Seine unerhörte Sensitivität erlaubt neue Klassen von hochenergetischen Strahlungsquellen zu studieren. Die Quellen, die in dieser Doktorabeit untersucht werden, sind passive supermassereiche Schwarze Löcher (SMBH, Supermassive Black Holes). Man erwartet die Beschleunigung von Teilchen zu ultra-hohen Energien in der Magnetosphäre von SMBH. Die Strahlungsverluste dieser Teilchen kann sehr hohe Energien (VHE, Very High Energy) erreichen, die im Arbeitsbereich des H.E.S.S.-Experiments liegen. Der erwartete Fluss übersteigt die Sensitivität von H.E.S.S. Allerdings könnte die Strahlung durch Strahlungsfelder, die in der Nähe der Beschleunigungsregion sind, abgeschwächt werden. Deswegen muss man galaktische Kerne beobachten, die eine niedrige Leuchtdichte aufweisen. Das erste mit den H.E.S.S. Teleskopen untersuchte Objekt ist der Spitzenkandidat NGC 1399. Obwohl keine Signal detektiert wurde, kann man wichtige Schlussfolgerungen aus diesen Daten ableiten, zum Beispiel über die maximal erreichbare Energie der Teilchen und über die Magnetfeldstärke. Das Magnetfeldstärkelimit ist B<74 Gauss. Das Limit ist modellabhängig und das Ergebnis unter diesen Annahmen skaliert. Dies ist gleichwohl die strikteste empirische Rahmenbedingung. Da kein Signal gefunden wurde, wurde eine neue Technik benutzt: drei Felder von Galaxienhaufen wurden aufaddiert und dann analysiert. Auch wurde in allen drei Beobachtungsfeldern nach aktiven galaktischen Kernen gesucht; die Suche lieferte keinen Fund. Unter diesen Annahmen werden die Möglichkeiten des zukünftigen CTA Observatoriums vorgestellt. Zum Abschluß werden kurz die erwarteten relativistischen Effekte auf die Emission von VHE-Strahlung in der Nähe eines supermassereichen Schwarzen Loches diskutiert.