Suche nach gepulster TeV-Gammastrahlung von Pulsaren mit H.E.S.S.

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1 Suche nach gepulster TeV-Gammastrahlung von Pulsaren mit H.E.S.S. Fabian Schmidt, HU Berlin September 2004

2 Überblick 1. Pulsare 2. Theorien der Pulsar-Hochenergieemission 3. H.E.S.S. und die Cherenkov-Technik 4. Datenanalyse 5. Ergebnisse

3 Pulsare Extrem regelmäßige Pulse im Radiobereich (u.a.), Periode P und langsame Periodenzunahme messbar P im Bereich von einigen ms bis 8 s. E & schnell rotierender kompakter Körper (Neutronenstern, D ~ 30 km) Konversion Rotationsenergie elektromagn. Strahlung: extrem starkes Magnetfeld postuliert Annahme: Strahlung eines magnetischen Dipols: rot = IΩΩ & = PDipol Bsurface Tesla! (bei jungen Pulsaren)

4 Pulsare M ~ 1.4 M Sonne, D ~ 30 km, B ~ 10 8 T glaubwürdige Annahmen? Supernova (SN): Kern von massereichem Stern kollabiert Neutronenstern (Ns) einziger stabiler Zustand Drehimpulserhaltung P Ns ~ ms bei Entstehung B-Feld-Einschluss im Plasma B ~ 10 8 T gut erklärbar Assoziationen Pulsar SN-Überrest beobachtet! (u.a. im Krebsnebel (Crab ) und Vela-SNR)

5 Pulsare optische Pulse bei einigen Pulsaren, > 60 im Röntgenbereich (E ~ kev), 7 Pulsare im GeV-Gammabereich entdeckt Vielfalt von Lichtkurven, Spektren Æ 36. Herbstschule für Hochenergiephysik Herausforderung für Pulsar-Theorien Fabian Schmidt, HU Berlin

6 Theorien der Hochenergieemission Hochenergieemission : optisch Röntgen Gamma Pulse Strahlungsquelle in Ns-Umgebung lokalisiert und mitrotierend B-Feld (~Dipol) bildet endl. Winkel mit Ns-Rotationsachse Rotierendes B- induziert E-Feld E-Feld beschleunigt e + e -, wo nicht durch Plasma abgeschirmt ( gaps )

7 Theorien der Hochenergieemission Beschleunigte Ladungen strahlen: Synchrotronstrahlung (optisch Röntgen) Curvature Radiation (MeV GeV) Inverse Compton Scattering (Röntgen TeV) Zusätzlich: Paarproduktion im Magnetfeld Zwei-Photon-Paarproduktion B r γ ( B) γγ e + e e + e Beschleunigte Primärteilchen erzeugen e + e - γ-kaskaden

8 Theorien der Hochenergieemission Wo wird beschleunigt? Die zwei gängigen Theorien: Polar Cap: nahe magnet. Polkappen Outer Gap: ausgedehnt, Nähe Lichtzylinder In beiden Fällen: Primärteilchen-Energien ~ einige TeV begrenzt Spektrum bei höchsten Energien (cut-off)

9 Cherenkov-Technik Ziel: Beobachtung von Photonen (γ) > 100 GeV vom Boden aus Energetische γ s & kosmische Strahlung Schauer in der oberen Atmosphäre Relativistische Schauerteilchen in Luft Cherenkov-Strahlung (kegelförmig) Schauer erzeugen kurze (~ ns) blaue Lichtblitze

10 H.E.S.S.: High Energy Stereoscopic System 4 Teleskope (13 m) in Namibia in 120 m Abstand Schwelle ~ 100 GeV, E/E = % Schauerrichtung auf ~ 0.1 genau stereoskopische Aufnahme der Schauer Rekonstruktion der Schauerrichtung Problem: Selektion von γ-ereignissen aus hadronischem Untergrund Verhältnis Event-Raten ~ 1:1000!

11 Datenanalyse Nach Reinigung und Kalibrierung der Kamerabilder: Bestimmung von Parametern der Schauer-Ellipsen im Kamerabild Mittlere skalierte Länge (MSCL) Mittlere skalierte Breite (MSCW) Gesamtamplitude des Bildes in Photoelektronen (IA) Dienen zur Selektion von γ-induzierten Schauern: Schauerrekonstruktion Richtung und Energie des Primär-γ

12 Datenanalyse GPS-Zeit für jedes Event (~ µs genau) 1) Pulsar-Ephemeriden (aus Radiobeobachtungen) 2) Baryzentrische Korrektur Pulsar-Phase (0 1 bzw. 2π) für jedes Event Phasogramm Check: Beobachtung der optischen Pulse vom Crab-Pulsar mit einem H.E.S.S.-Teleskop

13 Ergebnisse 3 Pulsare mit H.E.S.S. beobachtet: Crab-Pulsar (P = 33 ms, d ~ 2 kpc, Alter ~ 10 3 Jahre) Vela-Pulsar (P = 89 ms, d ~ 300 pc, Alter ~ 10 4 Jahre) PSR B (P = 102 ms, d ~ 1 3 kpc, Alter ~ Jahre ) - junge Pulsare - sicher / vermutlich mit SNR assoziiert - im GeV-Bereich beobachtet (EGRET auf Compton-Satellit) - Crab-Nebel: bekannte ungepulste TeV-γ-Quelle

14 Ergebnisse Crab-Nebel ungepulst Fest etablierte Standardquelle: 27σ / h 5σ in 2 min.! 2D Excess Sky Map dn / de = const. E α α= 2.63 ± 0.04

15 Ergebnisse - Phasogramme Nach Cuts: nur γ-kandidaten keine Pulse zu sehen! / F (> 350 GeV) < F(> 270 GeV) < 1.62 F(> 255 GeV) < m-2 s-1 GeV-Pulse ( + ) definieren Signal-Region (Rest = Untergrund) Effektive Sammelflächen des Systems aus Monte Carlo Æ Upper Limits (99.9%) auf integrierten gepulsten Fluss F(> E) 36. Herbstschule für Hochenergiephysik Fabian Schmidt, HU Berlin

16 Ergebnisse Vgl. Theorie-Vorhersagen Energie-Rekonstruktion energieaufgelöste UL Crab-Spektrum: GeV-Daten Polar Cap-Vorhersage ( Rudak & Dyks 1999) H.E.S.S. H.E.S.S. Upper Limits

17 Ergebnisse Vgl. Theorie-Vorhersagen Vela-Spektrum: GeV-Daten Polar Cap-Vorhersage ( Rudak & Dyks 1999) Outer Gap-Vorhersage (1) Outer Gap-Vorhersage (2) ( Hirotani 2003) H.E.S.S. Upper Limits

18 Ergebnisse Vgl. Theorie-Vorhersagen B1706-Spektrum: GeV-Daten Polar Cap-Vorhersage ( Rudak & Dyks 1999) Outer Gap-Vorhersage ( Hirotani 2003) H.E.S.S. Upper Limits

19 Zusammenfassung & Ausblick H.E.S.S.-Resultate schränken Pulsar-Theorien ein. Ergebnisse bei kleineren Energien besonders interessant. In Zukunft: Anwendung der Analyse auf weitere Pulsardaten (insbesondere ms-pulsare) Entwicklung spezieller Analyse für Schauer geringer Energie Spezieller Beobachtungsmodus für Pulsare