Datenbasierte Methoden zur Energiekalibration von Luftcherenkovteleskopen

• Antragsteller: Professor Dr. Dieter Horns
• Fachliche Zuordnung: Astrophysik und Astronomie ; Kern- und Elementarteilchenphysik, Quantenmechanik, Relativitätstheorie, Felder
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 284334853

• Erstellungsjahr: 2020

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Der Krebs-Nebel: Standardkerze der Gamma-Astronomie mit Überraschungen. Der Krebs-Nebel ist eines der hellsten Gamma-Strahlungsquellen und vermeintlich sehr gut verstandener Überrest einer Sternexplosion aus dem Jahr 1054 n.Chr. Wir haben ein datenbasiertes Modell für die Synchrotron- und inverse-Compton Strahlung der relativistischen Elektronen im Nebel erstellt. Der neue und wesentliche Ansatz dieses Modells ist der Versuch, ein möglichst präzises Modell für den Fluss und den spektralen Verlauf am oberen Ende des Energiespektrums aus allen vorhandenen Beobachtungen zu erstellen. Hierbei gehen nicht nur die spektralen Messungen ein sondern auch die Winkelausdehnung, die bis zu harten Röntgenstrahlung von etwa 80 keV vermessen worden ist. In dem Modell verfolgen wir einen minimalistischen Ansatz, d.h. wir verwenden Beobachtungen als Grundlage und reduzieren die Annahmen soweit wie möglich. Es stellt sich heraus, dass die gesamten Daten vom Radio- bis hin zum Gamma-Energiebereich mit etwa zehn freien Parametern und einem konstanten Magnetfeld durch unser Modell vollständig reproduziert werden können. Mit der Vorhersage für die höchstenergetische Komponente können wir anschließend die Energieskala der bodengestützten Luftschauermessungen kalibrieren. Die Ergebnisse zeigen, dass die Energieskalen um nicht mehr als 10 % voneinander abweichen. Wir stellen jedoch fest, dass die Messungen der bodengestützten Instrumente nicht übereinstimmen. Während die Messungen mit HEGRA, HAWC und TibetAS-Gamma sehr gut untereinander und mit dem Modell übereinstimmen, weichen die Messungen von H.E.S.S., Veritas und MAGIC deutlich ab. Hierfür sind offensichtlich weitere systematische Effekte verantwortlich, die sich nicht durch eine relative Energiekalibration erklären lassen. Zeitgleich mit dem Projektende ist in unserer Arbeitsgruppe die Winkelausdehnung des Nebels zwischen 5 GeV und etwa 20 GeV erstmals vermessen worden. Die gefundene Ausdehnung ist deutlich größer als erwartet und mit unserem Modell vorhergesagt. Dies ist ein deutlicher Hinweis darauf, dass das minimalistische Modell nicht ausreicht. Eine weitere Elektronkomponente ist nötig. Eine interessante Möglichkeit ist hierbei die bislang nicht beobachtete Schockfront des Supernova-Überrestes, der seinerzeit zur Bildung des Pulsars und Nebels geführt hat.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• First ground-based measurement of sub-20 GeV to 100 GeV γ-Rays from the Vela pulsar with H.E.S.S. II, A&A 620, A66 (2018)
  Abdalla, H., . . . Dirson, L., . . . Horns, D. et al. (H.E.S.S. Collaboration)
  
• Particle transport within the pulsar wind nebula HESS J1825-137, A&A 621, A116 (2019)
  Abdalla, H., . . . Dirson, L.,. . . Horns, D. et al. (H.E.S.S. Collaboration)
  
• The Energy-dependent γ-ray Morphology of the Crab Nebula Observed with the Fermi Large Area Telescope, Astrophys. J. 875, 123 (2019)
  Yeung, Paul K.H. und Horns, D.
  
• Non-thermal emission modelling of the Crab Nebula, Universität Hamburg
  L. Dirson
  
• Resolving the Crab pulsar wind nebula at teraelectronvolt energies, Nature Astronomy 4, 167 (2020)
  H.E.S.S. collaboration