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Abstract

The Galactic Centre is a unique and complex astrophysical region, characterised by dense molecular gas, bright point-like sources in very high energies, and a potential PeVatron cosmic-ray accelerator. It is also a key target for indirect dark matter searches, due its high dark matter density and its proximity. However, the region’s complexity, along with challenges posed by line-of-sight superposition of gas and dust emissions, complicates efforts to isolate gamma-ray sources and study cosmic-ray propagation. This thesis presents a comprehensive study of the Galactic Centre environment using multi-wavelength data, focusing on the distribution of gas and dust and the analysis of gamma-rays. A refined decomposition of the interstellar medium is achieved through employing a new method in decomposing molecular and atomic line emission, from HI and several CO isotopologue data. By distinguishing the gas in the central molecular zone and the Galactic disk as well as incorporating atomic and molecular contributions, a more accurate description of the gas distribution is derived. This improved gas template allows for a more realistic estimate of cosmic-ray energy density across the Galactic Centre. The dust thermal emission is fitted using single- and two-component modified Planck functions. A clear deviation from linearity has been observed for the dust opacity as a function of the hydrogen column density, indicating that a simple correlation between dust emission and gas column density is not sufficient. The second part of the thesis includes gamma-ray data from the H.E.S.S. telescopes, an array of imaging atmospheric Cherenkov telescopes. A novel background rejection technique, ABRIR, is developed and implemented within the H.E.S.S. analysis software. ABRIR uses time-based image cleaning and muon tagging to improve signal extraction from high-energy gamma-ray data. Its performance is validated through a detailed comparison of Galactic Centre observations with and without the method, showing enhanced source significance and reduced spectral uncertainties. Finally, the thesis explores the future observational potential of the Southern Wide-field Gamma-ray Observatory (SWGO), a ground-based water Cherenkov detector. Currently under development, SWGO will be the first large-scale water Cherenkov detector in the southern hemisphere. Using updated instrument response functions and simulated observations of the Galactic Centre, the expected performance of various array and tank configurations is assessed. SWGO’s sensitivity to WIMP dark matter annihilation is also evaluated. In summary, this thesis contributes with a new description of the gas and dust in the Galactic Centre, an improved background rejection method for H.E.S.S., and prospect estimates for the Galactic Centre observation with SWGO, to the field of Galactic Centre studies at very-high and ultra-high energies.

Translation of abstract (German)

Das Galaktische Zentrum ist eine einzigartige und komplexe astrophysikalische Region, die durch dichtes molekulares Gas, helle punktförmige Quellen bei sehr hoher Energie und einen potenziellen PeVatron-Beschleuniger für kosmische Strahlung gekennzeichnet ist. Aufgrund der hohen erwarteten Dichter Dunkler Materie und ihres geringen Abstands ist sie auch ein wichtiges Ziel für die indirekte Suche nach dunkler Materie. Die Komplexität der Region sowie die Herausforderungen, die sich aus Überlagerungen entlang der Sichtlinien und den begrenzten Beobachtungsmöglichkeiten von Gas- und Staubemissionen ergeben, erschweren jedoch die Isolierung von γ-Strahlenquellen und die Untersuchung der der Ausbreitung kosmischer Strahlung. In dieser Arbeit wird eine umfassende Studie des galaktischen Zentrums unter Verwendung von Daten unterschiedlicher Wellenlängen vorgestellt, die sich auf die Verteilung von Gas und Staub und die Analyse der γ-Strahlung konzentriert. Eine verbesserte Beschreibung des interstellaren Mediums wird durch eine neue Methode zur Zerlegung der molekularen und atomaren Linienemission anhand von Hi und verschiedenen CO-Isotopologendaten erreicht. Dabei wird das Gas in der galaktischen Scheibe getrennt vom Gas der zentralen Molekülzone betrachtet, was unter Beachtung der atomaren und molekularen Beitrge geschieht. Somit wird eine verbesserte Beschreibung der Gasverteilung erreicht, welche es ermglicht eine realistischere Schtzung der Energiedichte der kosmischen Strahlung im gesamten galaktischen Zentrum zu berechnen. Die thermische Emission des Staubes wird mit ein- und zweikomponentigen modifizierten Planck-Funktionen gefittet. Für die durch Staub verursachte Opazitt als Funktion der Wasserstoffsäulendichte wurde eine deutliche Nicht-Linearität beobachtet, was darauf hinweist, dass eine einfache Korrelation zwischen Emission des Staubes und Gassäulendichte nicht ausreicht. Der zweite Teil der Arbeit umfasst γ-ray-Daten des H.E.S.S.-Teleskope, einem Array von abbildenden atmosphärischen Cherenkov-Teleskopen. Eine neuartige Technik zur Unterdrückung des Untergrunds, ABRIR, wurde entwickelt und in die Software zur Analyse von H.E.S.S. integriert. ABRIR verwendet zeitbasierte Bildreinigung und Myonen-Tagging, um die Signalextraktion aus hochenergetischen γ-Strahlen-Daten zu verbessern. Die Leistungsfähigkeit des Verfahrens wird durch einen detaillierten Vergleich von Beobachtungen des galaktischen Zentrums mit und ohne ABRIR validiert, der eine verbesserte Signifikanz der Quellen und geringere spektrale Unsicherheiten zeigt. Schließlich wird in dieser Arbeit das künftige Beobachtungspotenzial des Southern Wide-field Gamma-ray Observatory (SWGO), eines Wasser-Tscherenkov-Detektor Arrays, untersucht. SWGO, das sich derzeit in der Entwicklung befindet, wird der erstegroßflächige Wasser-Tscherenkov-Detektor auf der südlichen Hemisphäre sein. Anhand von aktualisierten nstrumentenresponsefunktionen und simulierten Beobachtungen des galaktischen Zentrums wird die erwartete Leistung verschiedener Array- und Tankkonfigurationen bewertet. Zudem wird die Sensititvitet von SWGO für WIMP-Annihilationen dunkler Materie ausgewertet. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass diese Arbeit mit einer neuen Beschreibung des Gases und des Staubs im galaktischen Zentrums, einer verbesserten Methode zur Unterdrückung des Untergrunds für H.E.S.S. und Abschtzungen für die Beobachtung des galaktischen Zentrums mit SWGO, einen Beitrag zur Erforschung des galaktischen Zentrums bei sehr hohen und ultrahohen Energien leistet.