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Abstract

Only a few gamma-ray sources have been established as proton accelerators over the last decades, among them two extraordinary binary systems, the massive colliding wind binary Eta Carinae (eta Car) and the recurrent nova RS Ophiuchi (RS Oph). In this thesis, the nature of acceleration processes up to TeV energies are probed in these systems using very-high energy (VHE; ≥ 100 GeV) gamma-ray data from the High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.) in conjunction with data from the Fermi Large Area Telescope (LAT). To obtain reliable results from Imaging Atmospheric Cherenkov Telescopes like H.E.S.S., an accurate match between simulations and actual observations is crucial. Thus, in the first part of this thesis the successful validation of the simulations of the full 5-telescope H.E.S.S. array is presented. Based on this, the scientific verification of the monoscopic analysis was achieved using data from the large 28 m-telescope recently upgraded with a FlashCam prototype. The resulting spectrum of the Crab Nebula, the standard candle in the VHE regime, is found to be in good agreement with previous measurements by H.E.S.S. and other instruments. Using this verified analysis configuration, the nova RS Oph was successfully detected during its 2021 outburst, making it the first nova with confirmed VHE emission. A detailed light curve was derived from the highly statistically significant gamma-ray signal observed with the full H.E.S.S. array. The combined properties of the H.E.S.S. measurements with simultaneous Fermi-LAT data clearly favor a common origin of the whole gamma-ray emission, implying efficient acceleration of hadrons at the external shock caused by the eruption. eta Car has been firmly established as a source of gamma-rays by Fermi-LAT and H.E.S.S. over the last decade. With its highly eccentric orbit lasting 5.5 years, the periastron passage of the two stars is extremely close, making it a particularly interesting phase range. The 2020 periastron passage was the first such event to be extensively monitored by H.E.S.S. In this thesis, the detection of a VHE signal from eta Car during the 2020 periastron is presented, making use of a novel time-based image cleaning technique for the monoscopic analysis. In combination with simultaneous Fermi-LAT data, its spectral properties are characterized and together with previous and follow-up observations, for the first time, a VHE light curve spanning a full orbit is derived. At least some fraction of the accelerated particles traced by the gamma-ray emission likely escape from eta Car, potentially interacting with target material on different spatial scales. With the detection of Fermi-LAT excess emission associated to molecular clouds in the Carina Nebula, this hypothesis is tested. Whereas the cosmic ray density profile is indicative of an origin of the interacting cosmic rays from eta Car, a larger escaping flux than predicted by models or a contribution from other cosmic ray sources is needed to match the measured flux.

Translation of abstract (German)

Nur einige wenige Gammastrahlenquellen konnten in den letzten Dekaden als Protonenbeschleuniger etabliert werden. Darunter sind zwei spezielle Doppelsternsysteme, zum einen das durch kollidierende Winde charakterisierte Eta Carinae (eta Car) System und zum anderen die rekurrierende Nova RS Ophiuchi (RS Oph). Mit Hilfe von Gammastrahlungsbeobachtungen im sehr hohen Energiebereich (≥ 100 GeV) durch das High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.) und Daten des Fermi Large Area Telescope (LAT) können dort Beschleunigungsprozesse bis zu TeV Energien studiert werden. Um für H.E.S.S. eine robuste Analyse zu gewährleisten, muss eine präzise Übereinstimmung zwischen Simulationen und Daten sichergestellt werden. Dementsprechend wird im ersten Teil der Arbeit die erfolgreiche Validierung der Simulationen für alle fünf H.E.S.S. Teleskope behandelt. Das führte zu einer vollständigen wissenschaftlichen Verifizierung der monoskopischen Analyse des großen 28 m Teleskops, welches vor Kurzem mit einem FlashCam Prototypen ausgestattet wurde. Das resultierende Spektrum des Krebsnebels, die Standardkerze der Gammastrahlenastronomie, stimmte gut mit vorherigen Messungen von H.E.S.S. und anderen Instrumenten überein. Mit Hilfe dieser verifizierten Analyse konnte die Nova RS Oph während ihrer Eruption im Jahr 2021 erfolgreich detektiert werden. Dadurch wurde sie zur ersten jemals detektierten Nova im hochenergetischen Gammastrahlungsbereich. Aus den Daten konnte eine detaillierte Lichtkurve extrahiert werden. Die Charakteristiken der Daten zusammen mit Daten des Fermi-LAT Experiments führten zur Schlussfolgerung eines hadronischen Ursprungs des Signals. Des Weiteren legen die Daten eine sehr effiziente Beschleunigung an der externen Schockfront nahe. eta Car war durch vorhergehende Observationen mit Fermi-LAT und H.E.S.S. bereits als Gammastrahlenquelle bekannt. Die Periastronpassage des Systems, welches eine sehr exzentrische 5,5 Jahre dauernde Umlaufbahn hat, ist durch den sehr kleinen Abstand der beiden Sterne von besonderem Interesse. Die Periastronpassage im Jahr 2020 war die erste, welche mit H.E.S.S. ausgiebig beobachtet wurde. In dieser Arbeit wird die signifikante Detektion durch H.E.S.S. während dieser Phase präsentiert, wobei ein neuer Algorithmus basierend auf der Zeitinformation zum Säubern der Bilder benutzt wurde. Zusammen mit Daten des Fermi-LAT Experiments wird das Spektrum beschrieben. Des Weiteren kann durch Archivdaten zum ersten Mal eine sehr hoch energetische Gammastrahlenlichtkurve des gesamten Orbits erstellt werden. Die beschleunigten Teilchen verlassen teilweise das System, um dann mit Material in der Umgebung zu interagieren. Mit Hilfe von Fermi-LAT Daten wird diese Hypothese getestet und signifikante Emission von nahen Molekülwolken entdeckt. Während das Dichteprofil der Teilchen für einen Ursprung von eta Car spricht, bräuchte man jedoch einen höheren Fluss von eta Car in der Vergangenheit oder zusätzliche Quellen, um das Signal vollständig zu erklären.