TeV- Gammaastronomie MAGIC und H.E.S.S. Ira Jung Erlangen Centre for Astroparticle Physics Astroteilchenphysik in Deutschland, Status und Perspektiven

Cherenkov-Teleskop-Experimente Quellen Inhalt Überblick Cherenkov-Teleskop-Experimente Quellen in unserer Milchstraße außerhalb unserer Milchstraße Zusammenfassung Ira Jung, Astroteilchenphysik in Deutschland, Status und Perspektive, Zeuthen, Feb. 2010

TeV-Gammastrahlungshimmel in 2010 http://tevcat.uchicago.edu Default Catalog & Newly Announced Experimente: Cangaroo, Crimea, Mark 6 Telescope, H.E.S.S., MAGIC, Milagro, Telescope Array, VERITAS, Whipple Ira Jung, Astroteilchenphysik in Deutschland, Status und Perspektive, Zeuthen, Feb. 2010

TeV-Gammastrahlungshimmel in 2010 http://tevcat.uchicago.edu Default Catalog & Newly Announced ~ 73 Quellen von H.E.S.S. & MAGIC Experimente: Cangaroo, Crimea, Mark 6 Telescope, H.E.S.S., MAGIC, Milagro, Telescope Array, VERITAS, Whipple Ira Jung, Astroteilchenphysik in Deutschland, Status und Perspektive, Zeuthen, Feb. 2010

TeV-Gammastrahlungshimmel in 2010 http://tevcat.uchicago.edu Ira Jung, Astroteilchenphysik in Deutschland, Status und Perspektive, Zeuthen, Feb. 2010

Cherenkov-Teleskopsysteme Ira Jung, Astroteilchenphysik in Deutschland, Status und Perspektive, Zeuthen, Feb. 2010

Detektion hochenergetischer Gammastrahlung Photon Teilchenschauer ~ 10 km Cherenkov Licht ~ 120 m ~ 1o Detektionsfläche: 105 m2 Ira Jung, Astroteilchenphysik in Deutschland, Status und Perspektive, Zeuthen, Feb. 2010

Detektion hochenergetischer Gammastrahlung: Stereoskopie Photon Teilchenschauer ~ 10 km ~ 1o Cherenkov Licht Bildintensität: Energie Schnittpunkt: Richtung Bildform: Primärteilchen . ~ 120 m Ira Jung, Astroteilchenphysik in Deutschland, Status und Perspektive, Zeuthen, Feb. 2010

Main Players Veritas MAGIC MAGIC VERITAS H.E.S.S. CANGAROO III artist view MAGIC VERITAS H.E.S.S. CANGAROO III H.E.S.S. CANGAROO III Ira Jung, Astroteilchenphysik in Deutschland, Status und Perspektive, Zeuthen, Feb. 2010

H.E.S.S. & MAGIC Phase I H.E.S.S. MAGIC Anzahl Teleskope 4 1 Gesichtsfeld: 5° 3.5° Spiegeldurchmesser: 13 m 17 m Energieschwelle: 100 GeV 55 GeV (25 GeV) Sensitivität: 1.0% Crab (25 h) 1.6% Crab (50 h) Ira Jung, Astroteilchenphysik in Deutschland, Status und Perspektive, Zeuthen, Feb. 2010

H.E.S.S. & MAGIC Phase II H.E.S.S. MAGIC Anzahl Teleskope 4+1 1+1 Gesichtsfeld: 3.5° 3.5° Spiegeldurchmesser: 28 m 17 m Ira Jung, Astroteilchenphysik in Deutschland, Status und Perspektive, Zeuthen, Feb. 2010 11

Datenqualität Morphologien Variabilitäten/ Periodizitäten RX J1713-3946 HESS J1825-137 Datenqualität 0.2-0.8 TeV 0.8-2.5 TeV > 2.5 TeV Morphologien räumlich energieabhängig Variabilitäten/ Periodizitäten Von ms bis Jahren Spektroskopie Über mehrere Dekaden Quellpositionen Mit Bogensekunden- genauigkeit H.E.S.S. H.E.S.S. Krebs-Pulsar LS 5039 RX J1713-3946 Galaktisches Zentrum H.E.S.S. H.E.S.S. Ira Jung, Astroteilchenphysik in Deutschland, Status und Perspektive, Zeuthen, Feb. 2010

Langzeitstabilität: Das 1% Crab-Regime H.E.S.S., Science 2009 SN 1006 H.E.S.S. 2009 NGC 253 SN 1006, SNR 130 h 1% des Crab NGC 253, Starburst Galaxie 119 h 0.6% des Crab M82, Starburst Galaxie 137 h 0.9% des Crab Cen A, Radio Galaxie 115 h 0.8% des Crab Veritas, Nature 2009 H.E.S.S., Science 2009 PSF H.E.S.S. 2009 Cen A Ira Jung, Astroteilchenphysik in Deutschland, Status und Perspektive, Zeuthen, Feb. 2010

Die Suche nach den Quellen der Kosmischen Strahlung Ira Jung, Astroteilchenphysik in Deutschland, Status und Perspektive, Zeuthen, Feb. 2010

Die Quellen der Kosmischen Strahlung molecular cloud massive star no acceleration until ... SNR shell RX J1713 Jim Hinton

Die Quellen der Kosmischen Strahlung yes molecular cloud nearby accelerator active cloud massive star in cluster? Sagittarius B yes no collective wind interaction no acceleration until ... no binary system Westerlund 2 Neutron star? yes no yes compact companion SNR shell Composite SNR neutron star RX J1713 PWN yes no binary-PWN radio-Jet G 21.5-0.9 HESS J1825 PSR B1259-63 LS 5039? Jim Hinton

yes molecular cloud nearby accelerator active cloud massive star in cluster? Sagittarius B yes no collective wind interaction no acceleration until ... no binary system Westerlund 2 Neutronenstern? yes no yes compact companion SNR shell SNR shell Composite SNR PWN G 21.5-0.9 HESS J1825 RX J1713 Jim Hinton Composite SNR neutron star RX J1713 PWN yes no binary-PWN radio-Jet RX J1713 G 21.5-0.9 HESS J1825 PSR B1259-63 LS 5039? Jim Hinton Ira Jung, Astroteilchenphysik in Deutschland, Status und Perspektive, Zeuthen, Feb. 2010

Supernova Überreste mit Pulsar van der Swaluw, Downes, & Keegan 2003 SN Schock beschleunigt Teilchen für O(10 ky) Pulsar hält den Pulsarwind Nebel für O(100 ky) aufrecht Ira Jung, Astroteilchenphysik in Deutschland, Status und Perspektive, Zeuthen, Feb. 2010

Supernova Überreste mit Pulsar Pulsar Wind SNR Schale G21.5-0.9 Röntgen, Chandra / H.Matheson & S.Safi-Harb Ira Jung, Astroteilchenphysik in Deutschland, Status und Perspektive, Zeuthen, Feb. 2010

Supernova Überreste mit Pulsar van der Swaluw, Downes, & Keegan 2003 ... ähnlicher Effekt durch Inhomogenitäten des umgebenden Mediums

Supernova Überreste mit Pulsar Vela X Gammastrahlung, H.E.S.S. Ira Jung, Astroteilchenphysik in Deutschland, Status und Perspektive, Zeuthen, Feb. 2010

Supernova Überreste mit aufgelöster Schalenstruktur . Pulsar van der Swaluw, Downes, & Keegan 2003 Ira Jung, Astroteilchenphysik in Deutschland, Status und Perspektive, Zeuthen, Feb. 2010 22

Supernova Überreste mit aufgelöster Schalenstruktur . Ira Jung, Astroteilchenphysik in Deutschland, Status und Perspektive, Zeuthen, Feb. 2010 23

Supernova-Überreste mit aufgelöster Schalenstruktur RX J0852.0-4622 RCW 86 SN1006 RX J1713.7-3946 0.5° H.E.S.S. 2007 H.E.S.S. 2009 H.E.S.S. 2009 H.E.S.S. 2006 Spektrum bis zu einigen 10 TeV Teilchenbeschleunigung E > 100 TeV -Strahlung spiegelt Teilchenverteilung wieder ° → : γ-Strahlung ~ δCRδGas  e- →  e- (IC): γ-Strahlung ~ δElektron RX J1713.7-3946 H.E.S.S. 2006 Ira Jung, Astroteilchenphysik in Deutschland, Status und Perspektive, Zeuthen, Feb. 2010

Supernova-Überreste mit aufgelöster Schalenstruktur γ - Strahlung RX J0852.0-4622 RCW 86 SN1006 RX J1713.7-3946 1.3-2.4 keV (ROSAT) 2-4 keV (XMM) 0.5-10 keV (Chandra) 1-3 keV (ASCA) Röntgen-strahlung Räumliche Korrelationsuntersuchung Spektralanalyse Aber: Primärteilchen noch unsicher (Elektronen, Hadronen) Hinton, Hofmann 2009 Ira Jung, Astroteilchenphysik in Deutschland, Status und Perspektive, Zeuthen, Feb. 2010 25

Supernova Überrest: SN 1006 Gleichförmige Umgebung → Kugelförmige Schalenstruktur Bipolare Struktur Effiziente Teilcheneinspeisung in Fermi-Beschleunigungsprozess da B-Feld ║ Schocknormale TeV-Fluss: 1% des Krebsnebels (130 h) 2 – 4.5 keV Röntgenstrahlung TeV γ-Strahlung smoothed X-ray contours B H.E.S.S. XMM Newton Ira Jung, Astroteilchenphysik in Deutschland, Status und Perspektive, Zeuthen, Feb. 2010

Supernova Überrest: SN 1006 2 – 4.5 keV Röntgenstrahlung Starke Korrelation Röntgen-/γ-Strahlung Spektren beider Regionen sind gleich Leptonisches und hadronisches Szenario möglich B XMM Newton Azimutales Profil Spektraler Index ~2.4 Ira Jung, Astroteilchenphysik in Deutschland, Status und Perspektive, Zeuthen, Feb. 2010

Supernova Schocks beschleunigen Teilchen auf Energien > 100 TeV Was haben wir gelernt? Supernova Schocks beschleunigen Teilchen auf Energien > 100 TeV Offene Fragen: Was sind die Primärteilchen? Beschleunigen SNR Teilchen bis zum Knie (PeV) im Spektrum der Kosmischen Strahlung? Ira Jung, Astroteilchenphysik in Deutschland, Status und Perspektive, Zeuthen, Feb. 2010

Leptonisch oder Hadronisch? Molekülwolken Beobachtung von alten SNR Wechselwirkung mit Molekülwolken SNR Ira Jung, Astroteilchenphysik in Deutschland, Status und Perspektive, Zeuthen, Feb. 2010

Alte SNR & Molekülwolken: W28 Radio/IR image Brogan et al. 2006 20/90 cm VLA MSX 8 micron HII Region Abstand 2.2 kpc Alter: 35·10³ – 150·10³ Jahre Molekülwolken / HII Regionen Ira Jung, Astroteilchenphysik in Deutschland, Status und Perspektive, Zeuthen, Feb. 2010

Wechselwirkung Molekülwolken – SNR (Maser) SNR & Molekülwoken: IC 443 MAGIC Veritas Abstand: 1.5 kpc Alter unbekannt 3·10³ – 30·10³ Jahre Wechselwirkung Molekülwolken – SNR (Maser) hadronische Herkunft möglich aber PWN nicht ausgeschlossen CO Optical Pulsar Wind Nebula Veritas centroid MAGIC centroid Maser + + ▼ Ira Jung, Astroteilchenphysik in Deutschland, Status und Perspektive, Zeuthen, Feb. 2010

Supernova Überreste mit Pulsarwind Nebel van der Swaluw, Downes, & Keegan 2003 Ira Jung, Astroteilchenphysik in Deutschland, Status und Perspektive, Zeuthen, Feb. 2010

Galaktische Ebene im Licht der TeV γ- Strahlung H.E.S.S. Durchmusterung (ICRC 2009) ℓ = 60o ℓ = -85o Ira Jung, Astroteilchenphysik in Deutschland, Status und Perspektive, Zeuthen, Feb. 2010

Galaktische Ebene im Licht der TeV γ- Strahlung – Pulsarwindnebel H.E.S.S. Durchmusterung (ICRC 2009) ℓ = 60o ℓ = -85o Dominierende Quellpopulation der Galaktischen VHE Quellen Ira Jung, Astroteilchenphysik in Deutschland, Status und Perspektive, Zeuthen, Feb. 2010 34

PWN: Dominierende Quellpopulation Vela X MSH 15-52 K3/Rabbit G18.0-0.7/ HESS J 1825-137 H.E.S.S. 2005 H.E.S.S. 2006 H.E.S.S. 2006 H.E.S.S. 2006 Stark ausgedehnte γ – Quellen Ausdehnung O(10 pc) oft O(10) größer in Röntgenstrahlung γ –Quelle versetzt bzgl. Pulsar Energieabhängige Morphologie 0.2 – 0.8 TeV 0.8 – 2.5 TeV > 2.5 TeV HESS J1825-137 Ira Jung, Astroteilchenphysik in Deutschland, Status und Perspektive, Zeuthen, Feb. 2010

Supernova Überreste Pulsar van der Swaluw, Downes, & Keegan 2003   van der Swaluw, Downes, & Keegan 2003 Ira Jung, Astroteilchenphysik in Deutschland, Status und Perspektive, Zeuthen, Feb. 2010

Gepulste TeV-Gammastrahlung vom Krebs-Nebel Erster Nachweis von gepulster TeV Strahlung oberhalb von 25 GeV Emissionsregion: Deutlich oberhalb des Neutronensterns Ira Jung, Astroteilchenphysik in Deutschland, Status und Perspektive, Zeuthen, Feb. 2010

Die Quellen der Kosmischen Strahlung yes molecular cloud nearby accelerator active cloud massive star in cluster? Sagittarius B yes no collective wind interaction no acceleration until ... no binary system Westerlund 2 Neutronenstern? yes no yes compact companion radio-Jet neutron star binary-PWN PSR B1259-63 LS 5039? no yes compact companion radio-Jet neutron star binary-PWN PSR B1259-63 LS 5039? no yes SNR shell Composite SNR PWN RX J1713 G 21.5-0.9 HESS J1825 Jim Hinton

Binärsysteme Kompaktes Objekt (NS/BH) mit massereichen Begleitstern Ideales Labor zum Studium von Teilchenbeschleunigung unter variablen Bedingungen Ira Jung, Astroteilchenphysik in Deutschland, Status und Perspektive, Zeuthen, Feb. 2010 39

Binärsysteme Kompaktes Objekt (NS/BH) mit massereichen Begleitstern LS I +61 303 (OP: 26 d) Periastron Kompaktes Objekt (NS/BH) mit massereichen Begleitstern Ideales Labor zum Studium von Teilchenbeschleunigung unter variablen Bedingungen MAGIC 2009 PSR B1259-63 (OP: 3,5 a) LS 5039 (OP: 4 d) H.E.S.S. 2009 H.E.S.S. 2006 Ira Jung, Astroteilchenphysik in Deutschland, Status und Perspektive, Zeuthen, Feb. 2010

Binärsystem-Kandidat: HESS J0632+057 TeV, H.E.S.S. 2007 Nahe des Randes des Monoceros SNR, eine nicht identifizierte Punktquelle Quelle koinzident mit Be Stern Nachfolgeuntersuchungen: variable Röntgenquelle koinzident mit Be Stern Be-Stern: MCW 148 XMM, Hinton et al. 2008 XMM, Hinton et al. 2008 Untergrund korrigiertes Signal 39% Be-Stern: MCW 148 Ira Jung, Astroteilchenphysik in Deutschland, Status und Perspektive, Zeuthen, Feb. 2010

Nicht-Identifizierte Objekte Ira Jung, Astroteilchenphysik in Deutschland, Status und Perspektive, Zeuthen, Feb. 2010

Galaktische Ebene im Licht der TeV γ- Strahlung – nicht-identifizierte Objekte H.E.S.S. Durchmusterung (ICRC 2009) ℓ = 60o ℓ = -85o Ira Jung, Astroteilchenphysik in Deutschland, Status und Perspektive, Zeuthen, Feb. 2010 43

Galaktische Ebene im Licht der TeV γ- Strahlung – nicht-identifizierte Objekte H.E.S.S. Durchmusterung (ICRC 2009) ℓ = 60o Liegen in der Galaktischen Ebene Viele sind ausgedehnt Hartes Spektrum  ~ 2.1 … 2.5 Gehören Sie zu einer bekannten Quellklasse? Hadronische oder leptonische Beschleunigung? ℓ = -85o Ira Jung, Astroteilchenphysik in Deutschland, Status und Perspektive, Zeuthen, Feb. 2010 44

Nicht alle bleiben dunkel J1731-347 Schwache Radio und Röntgenquelle mit Schalenstruktur alter Supernova Überrest H.E.S.S. 2008 Tian et al, 2008 Ira Jung, Astroteilchenphysik in Deutschland, Status und Perspektive, Zeuthen, Feb. 2010

Jenseits der Milchstraße Starburst-Galaxien Radio-Galaxien Blazare Ira Jung, Astroteilchenphysik in Deutschland, Status und Perspektive, Zeuthen, Feb. 2010

Die Entdeckung der Starburst-Galaxie NGC 253 „Normale“ Spiralgalaxie Entfernung: 2.5-3.9 Mpc Zentrale Region (Starburst-Region) Wenige 100 pc groß Supernova-Rate: ~0.03/a (wie in gesamter Milchstraße) Gasdichte: ~600/cm³ (O(10³) mal Dichte der Milchstraße) H.E.S.S. Beobachtung 0.6% Krebs-Nebel Blau : DSS optisch Rot : ROSAT Röntgen Grün : H.E.S.S. γ-Strahlung NGC 253 Ira Jung, Astroteilchenphysik in Deutschland, Status und Perspektive, Zeuthen, Feb. 2010

Die Radiogalaxie Centaurus A 3, 4, 5 σ PSF Abstand: ~3 Mpc, Winkel zw. Jet – Sichtlinie: unklar 15°-80° BH : 6 x 107 M Mögliche Quelle der UHECR H.E.S.S.: Fluss ~0.8% Krebs-Nebel Spektraler Index 2.7±0.5±0.2 ○ ● 3-farben bild Centaurus A AUGER UHECR map, Science 2007 Ira Jung, Astroteilchenphysik in Deutschland, Status und Perspektive, Zeuthen, Feb. 2010

Die Radiogalaxie M87 Abstand: 16.7 Mpc (Virgo-Cluster) VERITAS / VLBA / HESS / MAGIC Science 325 (2009) 444 VHE X-ray Radio HST-1 nucleus Jet Abstand: 16.7 Mpc (Virgo-Cluster) Zentrales BH: (6.00.5) x 109 M Winkel zw. Jet – Sichtlinie: 15°-25° ○ ● nucleus Ira Jung, Astroteilchenphysik in Deutschland, Status und Perspektive, Zeuthen, Feb. 2010

Astroteilchenphysik mit Gammastahlung Messung des Extragalaktischen Hintergrundlichts AGN als Standardkerzen (Rekord 3C279 z=0.536) Dispersion der Lichtgeschwindigkeit „Time of Flight“-Messungen Suche nach Dark Matter Gammastrahlung aus Dark Matter-Annihilation PKS 2155-Flare Ira Jung, Astroteilchenphysik in Deutschland, Status und Perspektive, Zeuthen, Feb. 2010

TeV-Gammastrahlungsastronomie 2010 Übergang von der Jagd nach Quellen hin zur Astronomie und Astrophysik mit Gammastrahlung im Energiebereich oberhalb von 25 GeV H.E.S.S. und MAGIC: Wegbereiter für die Gammastrahlungsastronomie im nächsten Jahrzehnt: CTA H.E.S.S. MAGIC Ira Jung, Astroteilchenphysik in Deutschland, Status und Perspektive, Zeuthen, Feb. 2010

Ira Jung, Astroteilchenphysik in Deutschland, Status und Perspektive, Zeuthen, Feb. 2010