TeV- Gammaastronomie MAGIC und H.E.S.S.

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

2 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

3 TeV-Gammastrahlungshimmel in 2010
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

4 TeV-Gammastrahlungshimmel in 2010
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

5 TeV-Gammastrahlungshimmel in 2010
Ira Jung, Astroteilchenphysik in Deutschland, Status und Perspektive, Zeuthen, Feb. 2010

6 Cherenkov-Teleskopsysteme
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7 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

8 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

9 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

10 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

11 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

12 Datenqualität Morphologien Variabilitäten/ Periodizitäten
RX J HESS J Datenqualität TeV 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 J Galaktisches Zentrum H.E.S.S. H.E.S.S. Ira Jung, Astroteilchenphysik in Deutschland, Status und Perspektive, Zeuthen, Feb. 2010

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

14 Die Suche nach den Quellen der Kosmischen Strahlung
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15 Die Quellen der Kosmischen Strahlung
molecular cloud massive star no acceleration until ... SNR shell RX J1713 Jim Hinton

16 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 HESS J1825 PSR B LS 5039? Jim Hinton

17 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 HESS J1825 RX J1713 Jim Hinton Composite SNR neutron star RX J1713 PWN yes no binary-PWN radio-Jet RX J1713 G HESS J1825 PSR B LS 5039? Jim Hinton Ira Jung, Astroteilchenphysik in Deutschland, Status und Perspektive, Zeuthen, Feb. 2010

18 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

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

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

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

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

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

24 Supernova-Überreste mit aufgelöster Schalenstruktur
RX J RCW 86 SN1006 RX J 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 J H.E.S.S. 2006 Ira Jung, Astroteilchenphysik in Deutschland, Status und Perspektive, Zeuthen, Feb. 2010

25 Supernova-Überreste mit aufgelöster Schalenstruktur
γ - Strahlung RX J RCW 86 SN1006 RX J keV (ROSAT) 2-4 keV (XMM) 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

26 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

27 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

28 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

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

30 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

31 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

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

33 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

34 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

35 PWN: Dominierende Quellpopulation
Vela X MSH 15-52 K3/Rabbit G / HESS J 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 J Ira Jung, Astroteilchenphysik in Deutschland, Status und Perspektive, Zeuthen, Feb. 2010

36 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

37 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

38 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 B LS 5039? no yes compact companion radio-Jet neutron star binary-PWN PSR B LS 5039? no yes SNR shell Composite SNR PWN RX J1713 G HESS J1825 Jim Hinton

39 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

40 Binärsysteme Kompaktes Objekt (NS/BH) mit massereichen Begleitstern
LS I (OP: 26 d) Periastron Kompaktes Objekt (NS/BH) mit massereichen Begleitstern Ideales Labor zum Studium von Teilchenbeschleunigung unter variablen Bedingungen MAGIC 2009 PSR B (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

41 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

42 Nicht-Identifizierte Objekte
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43 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

44 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

45 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

46 Jenseits der Milchstraße Starburst-Galaxien Radio-Galaxien Blazare
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47 Die Entdeckung der Starburst-Galaxie NGC 253
„Normale“ Spiralgalaxie Entfernung: 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

48 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

49 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

50 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

51 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

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