Probing the cosmic-ray pressure in the Virgo Cluster and the origin of the very-high-energy gamma rays of M87 with H.E.S.S. and CTA
Creators: name: Barbosa Martins, Victor
Publisher: name: Humboldt-Universität zu Berlin
Year: 2022
Subjects: subject: M87
subject: Virgo-Galaxienhaufen
subject: Kosmischer Strahlungsdruck
subject: Gammastrahlen-Morphologie
subject: H.E.S.S.
subject: Strukturüberwachungssystem
subject: Mittelgroßes Teleskop
subject: Operative Modalanalyse
subject: Cherenkov Telescope Array
subject: Virgo Cluster
subject: Cosmic-ray pressure
subject: Gamma-ray morphology
subject: Structure monitoring system
subject: Medium-sized telescope
subject: Operational modal analysis
subject: 530 Physik

description: Das High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.) ist ein System von fünf atmosphärischen Cherenkov-Teleskopen (IACT) in Namibia. Die H.E.S.S. Teleskope sind empfindlich für sehr energiereiche (VHE) Gammastrahlen zwischen ~30 TeV und 100 TeV. Mit einer Entfernung von 16,5 Mpc ist Messier 87 (M87) eine der nächsten Radiogalaxien und beherbergt eines der massereichsten supermassiven Schwarzen Löcher, das Materie in einen Plasmastrahl relativistischer Teilchen emittiert. Der Strahl wird im Bereich des gesamten elektromagnetischen Spektrums beobachtet und untersucht. M87 befindet sich im Zentrum des Virgo-Galaxienhaufens, eines kühlen Galaxienhaufens, der von Gas gefüllt ist, das in der Nähe des Zentrums kälter und in den Außenbereichen des Galaxienhaufens heißer ist. Gemäß der Cooling Flow (CF) Theorie kühlt das Plasma in Cool Core (CC) Haufen am Rand des Haufens ab und sinkt nach innen, wodurch die Sternentstehungsrate im Zentrum erhöht wird. Optische Messungen des Virgo Galaxienhaufens scheinen diesem Modell jedoch zu widersprechen. Als Heizmechanismus wird der aktive galaktische Kern Rückkopplungsmechanismus vorgeschlagen, der die Abkühlung des ICM ausgleicht und dessen CF vermeidet. Die kosmische Strahlung des Jets interagiert mit der ICM und erzeugt neutrale Pionen, die in Gammastrahlen zerfallen und ein nicht variables und ausgedehntes Gammastrahlensignal erzeugen. Allerdings konnten keine Gammastrahlen-Beobachtungen mit dem Pionenzerfall in dem Galaxienhaufen in Verbindung gebracht werden. In dieser Studie der H.E.S.S. Beobachtungen des niedrigen Strahl-Aktivitätszustands von M87 haben keine signifikante Ausdehnung der Emissionsregion gezeigt, woraus eine 3σ Obergrenze von 0.016° ≈ 4.6 kpc abgeleitet wurde. Das Verhältnis des Drucks in kosmischer Strahlung zur thermischen Strahlung ist auf &lt;0.36 im Zentralregion beschränkt. Diese abgeleitete Obergrenze nimmt einen Gleichgewichtszustand zwischen den Erwärmungs und den Kühlprozessen an. Die neue Generation von IACTs, das Cherenkov Telescope Array Observatory (CTAO), wird eine unvergleichbare Empfindlichkeit und Winkelauflösung bieten. Um die langfristige Verfügbarkeit der Teleskope sicherzustellen, wurde ein auf Schwingungsmessungen basierendes Strukturüberwachungssystem entwickelt und zwischen 2019 und 2020 in Berlin am Prototyp des mittelgrossen Teleskopes erfolgreich getestet. CTAO wird in der Lage sein die Gammastrahlung des Virgo Haufens zu untersuchen und sie laut Simulationen und dem Steady-State-Modell innerhalb von ~210 h zu detektieren.
description: The High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.) is an array of five Imaging Atmospheric Cherenkov Telescopes (IACTs) located in Namibia. The H.E.S.S. telescopes are sensitive to Very-High-Energy (VHE) gamma rays between ~30 TeV and ~100 TeV. At a distance of 16.5 Mpc Messier 87 (M87) is one of the closest radio-galaxies, hosting one of the most massive Super-Massive Black Hole, which accretes matter and launches an inclined jet of relativistic particles. The jet is detected and studied by radiation emitted through the entire electromagnetic spectrum. M87 is located at the very center of the Virgo galaxy cluster, a Cool Core (CC) cluster, characterized by an Intra-cluster Medium (ICM) that is colder close to the center and hotter towards the outskirts of the galaxy cluster. According to the Cooling Flow (CF) theory, the plasma in CC clusters cools in the outskirts of the cluster and falls inwards, increasing the star formation ratio in the region. However, optical measurements of the Virgo Cluster seem to contradict this model. The Active Galactic Nucleus (AGN) feedback mechanism is proposed as a heating mechanism, which counterbalances the cooling of the ICM and avoids its CF. The cosmic rays from the jet interact with the ICM producing neutral pions, which decay to gamma rays, forming a non-variable and extended gamma-ray signal. However, no gamma-ray observations could be associated with pion decay in galaxy clusters. In this work, deep H.E.S.S. observations of M87's low state are analyzed, and the results have shown no significant gamma-ray extension leading to a 3σ upper limit of 0.016° ≈ 4.6 kpc. The ratio of cosmic-ray pressure to thermal pressure XCR is constrained to &lt; 0.36 at its maximum position, assuming a steady-state between the heating and the cooling processes. The new generation of IACTs, the Cherenkov Telescope Array Observatory (CTAO) will offer unprecedented sensitivity and angular resolution. To assure the long-term availability of the telescopes, a structure monitoring system based on vibration measurements was developed and successfully tested at the Medium-sized Telescope (MST) prototype between 2019 and 2020 in Berlin. CTAO should be able to probe the gamma-ray emission from the Virgo Cluster, and, according to simulations and to the steady-state model, significantly detect it after ≈ 210 h.