Resolved gamma ray emission of the supernova remnant W51C and HESS J1857+026 obtained with the MAGIC telescopes

Krause, Julian D. G. (2013): Resolved gamma ray emission of the supernova remnant W51C and HESS J1857+026 obtained with the MAGIC telescopes. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik

Abstract

Diese Dissertation untersucht den Urspung der kosmischen Strahlung mit Beobachtungen der MAGIC Teleskope im Bereich der hoch energeticher Gammastrahlenastronomie. Gammastrahlung wird bei der Wechselwirkung relativistischer Teilchen erzeugt. Im Gegensatz zur geladenen kosmichen Strahlung, werden Gammastrahlen nicht von interstellaren Magnetfeldern beinflusst. Daher erlaubt die Ankunftsrichtung von Gammastrahlen die Bestimmung ihres Ursprungs. Ein Teil dieser Arbeit widmet sich der Verbesserung der Analyse von MAGIC-daten. Im besonderen wurde ein neuer Algorithmus zur Hintergrundbestimmung entwickelt, wodurch die systematischen Unsicherheiten deutlich verbessert werden konnten. Zudem wurde die Reflekivitaet und Fokusierung beider MAGIC Teleskope anhand des Vergleichs zwischen echten und simulierten Muonereignissen bestimmt. Die heutige Meinung ist, dass die Ueberreste von Supernovae, die expandierende Schockwellen der Sternimplosionen, der Ursprung der galaktischen kosmischen Strahlung sind. Obwohl hoch energetische Gammastrahlung von vielen dieser Objekte beobachtet wurde, erlaubt die schwierige Unterscheidung von leptonisch und hadronsich produzierter Gammastrahlung in den meisten Faellen keine klaren Schlussfolgerungen ueber die Anwesenheit relativistischer Hadronen und damit kosmischer Strahlung. Da Gammastrahlung aus hadronischen Wechselwirkungen, nahezu ausschliesslich in inelastischen Proton-Proton Kollisionen erzeugt wird, ist ihre Produktion umso effektiver, desto hoeher die Dichte des mediums ist. Die Region W51 beherbergt den 30000 Jahre alten Supernovaueberrest W51C, welcher teilweise mit der grossen Molekuelwolke W51B kollidiert. MAGIC hat ausgedehnte Gammastrahlung von dieser Region mit hoher statistischer Signifikanz (11 sigma) gemessen. Es konnte gezeigt werden, dass das Zentrum der Emission in dem Bereich hoher Dichte liegt, wo der Supernovaueberrest mit der Molekuelwolke kollidiert. Das Energiespektrum wurde im Bereich von 75 GeV bis 5.5 TeV gemessen und folgt einem Potenzgesetz. Die moegliche Kontamination dieser Emission durch einen nahegelegenen potentiellen Pulsarwindnebel zeigt keine Energieabhaengigkeit und wurde als ~20\% der Gesamtemission bestimmt. Die Modellierung der nicht thermischen Mutliwellenlaengenemission deutet stark auf einen hadronischen Ursprung der Gammastrahlung hin. Diese Beschreibung impliziert, dass in etwa 16% der kinetsiche Energie der Schockwelle von W51C zur Produktion kosmischer Strahlung genutzt wurden. Damit is W51C eine der wenigen bekannten Supernovaueberreste wo eine Beschleunigung von Protonen der komsischer Strahlung, zumindestens bis 50 TeV, direkt beobachtet wird. HESS J1857+026 ist eine nicht identifizierte TeV-Quelle, die moeglicherweise den Pulsarwindnebel des, von der Gammastrahlung umschlossenen, hochenergetischen Pulsares PSR J1856+0245 darstellt. Eine augedehnte Emission wurde von MAGIC mit einer statistischen Signifikanz von mehr als 12 sigma gemessen. Das berechnete Spektrum verbindet die vorherigen Daten von Fermi/LAT und HESS, wobei es mit beiden Messungen ueberlappt. Anhand der MAGIC und Fermi/LAT Daten wurde ein Abweichung von einem einfachen Potenzgesetz bei ca. 100~GeV festgestellt. Bei hoeheren Energien werden zwei Emissionsregionen aufgeloest. Ueberhalb von einem TeV koennen zwei voneinander getrennte, einzeln signifikante Regionen festgestellt werden. Diese Dissertation zeigt die ersten morphologischen Untersuchungen, die mit den MAGIC Teleskopen durchgefuehrt wurden. Es wurde gezeigt, dass die Faehigkeit Strukturen in galaktischen Quellen aufloesen zu koennen, wichtige Informationen ueber die Physik der Teilchenbeschleunigung in astrophysikalischen Objekten liefert.

Abstract

This work addresses the long standing question of the origin of galactic cosmic rays by the use of very high energy gamma ray emission observed with the MAGIC telescopes. Gamma rays are produced in the interaction of relativistic particles. In contrast to the charged cosmic rays, gamma rays are not deflected by interstellar magnetic fields and therefore point back to their origin. A part of this work was dedicated to the improvement of the the MAGIC data analysis. In particular a new method to determine the background has been developed resulting in a reduction of the systematic uncertainties. Moreover, the optical point spread function and the light collection efficiency of both MAGIC telescopes have been determined by the comparison of real and simulated muon events. The common believe is that supernova remnants are the sources of galactic cosmic rays. While several supernova remnants are known to emit very high energy gamma rays, the difficulty to distinguish between leptonic and hadronic production mechanisms prevents in most cases clear evidence for the presence of relativistic hadrons and therefore cosmic rays. Gamma rays originating from relativistic hadrons are almost exclusively produced in inelastic proton-proton interactions and therefore more efficiently produced in regions of high matter density. The region W51 host the middle-age supernova remnant W51C which partially collides with the large molecular cloud W51B. MAGIC detected extended gamma ray emission in the W51 region with >11 sigma. It could be shown that the centroid of the emission is spatially consistent with the high density region of the interaction zone between the remnant and the molecular cloud. The differential energy spectrum extends from 75 GeV up to 5.5 TeV and follows simple power-law. A possible contribution of a nearby pulsar wind nebula candidate is constrained to be ~20% of the overall emission and shows no dependence on energy. A modeling of the non-thermal multiwavelength emission strongly suggests a hadronic origin of the observed emission. This models implies that about 16% of kinetic energy of the supernova remnant W51C has been converted into cosmic rays. W51C is therefore one of the few known supernova remnants where most likely the acceleration of cosmic rays, at least up to energies of 50 TeV per proton, is directly observed. HESS J1857+026 is an unidentified TeV source which could be explained as a pulsar wind nebula of the energetic pulsar PSR J1856+0245 enclosed in the gamma ray emission. MAGIC detected extended gamma ray emission with >12 sigma from the object. The derived spectrum connects previous measurements of Fermi/LAT and HESS and overlaps with both of them. The MAGIC and Fermi/LAT data reveal a spectral break at around 100 GeV. At high energies, the emission resolves in two regions. Two spatially distinct and statistically significant emission regions are established above 1 TeV. This thesis shows the first morphological studies in very high energy gamma rays performed with the MAGIC telescopes. The ability to resolve structures in galactic gamma ray sources has been proven to give important insights into the underlying physics of particle acceleration in astrophysical environments.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Keywords: cosmic rays, supernova remnants, gamma ray astronomy, galactic sources, pulsar wind nebulae,
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
• Fakultäten: Fakultät für Physik
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 14. Februar 2013
• 1. Bericht­erstatter:in: Kiesling, Christian