Ursprung der Fermi Bubbles durch Multi-Wellenlängen und Multi-Botenteilchen Beobachtungen

• Antragsteller: Dr. Dmitry Malyshev
• Fachliche Zuordnung: Astrophysik und Astronomie
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 427983510

Die Fermi-Bubbles wurden in den Daten des Fermi Large Area Telescope (Fermi-LAT) entdeckt und bestehen aus zwei großflächigen sphärischen Strukturen oberhalb und unterhalb des Galaktischen Zentrums, die Gammastrahlung emittieren. Als Entstehungsmechanismus der Fermi-Bubbles kommt eine frühere aktive Phase des supermassiven Schwarzen Lochs im Zentrum unserer Milchstrasse oder eine Episode intensiver Sternentstehung nahe des Galaktischen Zentrums in Frage. Obwohl die Fermi-Bubbles bereits vor acht Jahren entdeckt wurden, ist die Frage nach ihrem Ursprung noch immer ungeklärt.Dmitry Malyshev konnte als Erstautor in einer Publikation der Fermi-LAT Kollaboration zeigen, dass die Fermi-Bubbles in der Umgebung des Galaktischen Zentrums im Vergleich zu höheren galaktischen Breiten von intensiverer Emission und einem härteren Energiespektrum geprägt sind. Diese Entdeckung eröffnet nun erstmals die Möglichkeit, die Emissionen der Fermi-Blasen auch mit abbildenden Tscherenkow-Teleskopen und Neutrinoteleskopen nachzuweisen. Der Nachweis mit Tscherenkow-Teleskopen wird es erlauben, das Energiespektrum der emittierten Gammastrahlung bis zu weit höheren Energien zu vermessen als das mit Fermi-LAT möglich ist. Die Suche nach einer möglichen assoziierten Neutrinoemission aus dem Bereich der Fermi-Bubbles wird Aufschluss über den Anteil der Gammastrahlung geben, der aus Wechselwirkungen der hadronischen kosmischen Strahlung stammt und damit Rückschlüsse auf die Eigenschaften der Teilchenpopulation zulassen, die für die Emissionsprozesse verantwortlich ist.Wir schlagen daher vor, zunächst eine detaillierte Analyse der Morphologie und des Energiespektrums der Fermi-Bubbles bei Energien unterhalb 1 TeV mithilfe von Fermi-LAT-Daten durchzuführen und basierend aus einem in dieser Analyse entwickelten Vorlage (Template) das Spektrum bei Energien von mehr als 1 TeV mit H.E.S.S. zu untersuchen. Gemeinsam mit Kollegen, die am ECAP in den Neutrinoteleskopen ANTARES und IceCube aktiv sind werden wir auch in Neutrinodaten nach den Fermi-Bubbles zu suchen. Diese Untersuchungen werden auch richtungsweisend sein für eine Untersuchung der Fermi-Bubbles mit zukünftigen Teleskopen, wie dem Cherenkov Telescope Array und dem KM3NeT Neutrinoteleskop.Zur Auswertung der Fermi-LAT- und H.E.S.S.-Daten werden wir etablierte Methoden zur Analyse diffuser Gammastrahlung einsetzen, insbesondere Weiterentwicklung jener Methoden, die von D. Malyshev im Rahmen der Fermi-LAT Kollaboration entwickelt und publiziert wurden. Wir erwarten, dass die Resultate dieser Studien die Modelle zur Entstehung der Fermi-Bubbles wesentlich einschränken und unser Verständnis des Ursprungs der kosmischen Strahlung mit Energien bis zu Petaelektronvolt sowie des hochenergetischen astrophysikalischen Neutrinoflusses erweitern und vertiefen wird.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen