title: Galactic diﬀuse gamma-ray emission at very high energies
title: Galaktische diffuse Gammastrahlung bei TeV-Energien
Creators: name: Egberts, Kathrin
Publisher: name: Universität Potsdam
Year: 2025
Subjects: subject: 530 Physik

description: Diﬀuse Galactic γ-ray emission is the most prominent observable signature of celestial cosmic-ray interactions at high energies. While being studied at GeV energies for several decades, assessments of diﬀuse γ-ray emission at TeV energies is complicated by the low fluxes and the dominance of γ-ray sources in this energy regime. Measurements have so far been exclusively performed by ground-based particle detector arrays with their large fields of view. Imaging atmospheric Cherenkov telescopes with their superior angular resolution are hampered by few-degree-sized fields of view, which challenge the data collection on large scales and in particular the determination of the charged-cosmic-ray background, customarily done from within the field of view.

The systematic survey of the central Galaxy performed with the High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.) is used in this work for the first measurement of large-scale diﬀuse γ-ray emission along the Galactic Plane using imaging atmospheric Cherenkov telescopes. The challenge of the charged-cosmic-ray background is met by two diﬀerent approaches: On the one hand a standard determination from within the field of view demonstrates that TeV diﬀuse emission is measurable by imaging atmospheric Cherenkov telescopes but results in distortions of the measurable signal. On the other hand a modelling of the background using Monte Carlo simulations enables an absolute measurement essentially unaﬀected by background-subtraction issues. Applying this novel technique the first high-resolution (&lt;0.1◦) measurement of Galactic diﬀuse γ-ray emission is presented.

The other complication of TeV diﬀuse-emission measurements is the entanglement of γ-ray sources and diﬀuse emission. Unresolved sources below the detection threshold of the instrument form part of the measurable diﬀuse signal and discrete sources shape the distribution of the truly diﬀuse emission stemming from propagating cosmic rays. In this work, special focus is placed on this interplay. Concepts for the inclusion of γ-ray sources in the analysis and interpretation of TeV diﬀuse emission are developed and applied to the H.E.S.S. measurement: A population synthesis is invoked to characterise the overall properties of the Galactic TeV γ-ray source population. It is based on the strongly biased H.E.S.S. Galactic γ-ray source catalogue, requiring the inclusion of the complex details of the selection bias of the H.E.S.S. data set. Simulated source populations are then used for the derivation of the amount of unresolved γ-ray sources in the measurable diﬀuse signal and as input for the predictions of the diﬀuse emission stemming from cosmic-ray propagation.

With the development of concepts and techniques for the measurement and interpretation of diﬀuse γ-ray emission at TeV energies, this work does not aim at providing final answers on this subject. It is meant to lay the foundation for a more detailed understanding of cosmic-ray transport at TeV energies based on high-resolution H.E.S.S. and future Cherenkov Telescope Array Observatory (CTAO) measurements.
description: Die diffuse galaktische γ-Strahlung ist die prägnanteste Signatur der Wechselwirkung kosmischer Strahlung bei hohen Energien. Während die diffuse Emission bei GeV-Energien schon seit mehreren Jahrzehnten untersucht wird, ist die Datenlage bei TeV-Energien nach wie vor spärlich. Der Grund dafür sind die geringen Flüsse und die Dominanz von γ-Quellen in diesem Energiebereich. Messungen wurden bisher ausschließlich mit bodengestützten Teilchendetektor-Arrays mit ihren großen Sichtfeldern durchgeführt. Abbildende atmosphärische Cherenkov-Teleskope, die in ihrer Winkelauflösung überlegen sind, werden durch wenige Grad große Gesichtsfelder behindert, die die Datenerfassung auf großen Skalen und insbesondere die Bestimmung des Hintergrunds geladener kosmischer Strahlung, der üblicherweise im Gesichtsfeld erfolgt, erschwert. Die systematische Durchmusterung der zentralen Galaxie durch das High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.) wird in dieser Arbeit für die erste Messung der großräumigen diffusen γ-Strahlung mit abbildenden atmosphärischen Cherenkov-Teleskopen genutzt. Die Herausforderung des Hintergrunds geladener kosmischer Strahlung wird mit zwei verschiedenen Ansätzen angegangen: Zum einen zeigt eine Standardbestimmung innerhalb des Gesichtsfeldes, dass die diffuse TeV-Emission mit abbildenden atmosphärischen Cherenkov-Teleskopen messbar ist, aber zu Verzerrungen des messbaren Signals führt. Andererseits ermöglicht eine Modellierung des Hintergrunds mit Hilfe von Monte-Carlo-Simulationen eine absolute Messung, die im Wesentlichen von Problemen der Hintergrundsubtraktion
unbeeinflusst ist. Unter Anwendung dieser Technik wird die erste hochauflösende (&lt; 0,1°) Messung der galaktischen diffusen γ-Strahlung vorgestellt.
Die andere Herausforderung in der Messung diffuser Strahlung bei TeV-Energien liegt im Zusammenspiel von Quellen und diffuser Emission. Unaufgelöste Quellen unterhalb der Nachweisgrenze des Instruments bilden einen Teil des messbaren diffusen Signals, und diskrete Quellen prägen die Verteilung der wirklich diffusen Emission, die von der sich ausbreitenden kosmischen Strahlung stammt. In dieser Arbeit wird ein besonderes Augenmerk auf dieses Zusammenspiel gelegt. Es werden Konzepte für die Einbeziehung von γ-Quellen in die Analyse und Interpretation der diffusen TeV-Emission entwickelt und auf die H.E.S.S.-Messung angewendet: Eine Populationssynthese wird herangezogen, um die Gesamteigenschaften der galaktischen TeV-γ-Quellen-Population auf der Grundlage des stark verzerrten galaktischen H.E.S.S.-Quellkatalogs zu charakterisieren, was die Einbeziehung der komplexen Details der Selektionsverzerrung des H.E.S.S.-Datensatzes erfordert.
Die simulierten Quell-Populationen werden dann für die Bestimmung des Anteils der unaufgelösten γ-Quellen im messbaren Diffus-Signal sowie als Input für die Vorhersage der diffusen Emission aus der Wechselwirkung kosmischer Strahlung verwendet und auf die Messung angewandt.
Mit der Entwicklung von Konzepten und Techniken für die Messung und Interpretation diffuser Emission bei TeV-Energien zielt diese Arbeit nicht darauf ab, endgültige Antworten zu diesem Thema zu geben. Sie soll die Grundlage für ein detailliertes Verständnis des Transports kosmischer Strahlung bei TeV-Energien auf Basis von hochauflösenden H.E.S.S.- und zukünftigen Cherenkov Telescope Array Observatory (CTAO)-Messungen schaffen.