Exploring the γ-ray sky around the stellar cluster Westerlund 2 with the H.E.S.S. Experiment
Creators: name: Holch, Tim Lukas
Publisher: name: Humboldt-Universität zu Berlin
Year: 2021
Subjects: subject: Westerlund 2
subject: HESS J1023-575
subject: Cherenkov Astronomie
subject: Sternhaufen
subject: hochenergetische Gammastrahlung
subject: Astroteilchenphysik
subject: Cherenkov astronomy
subject: Stellar cluster
subject: very-high-energy gamma radiation
subject: astroparticle physics
subject: 530 Physik
subject: 520 Astronomie und zugeordnete Wissenschaften

description: In dieser Arbeit wird eine Analyse der TeV gamma-Strahlung in der Region um den galaktischen Sternhaufen Westerlund 2 präsentiert. Der dazu analysierte Datensatz beruht auf Observationen mit den Cherenkov Teleskopen des High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.) Experiments und umfasst ~80h Beobachtungszeit. Für die Datenanalyse wird die open-source Software gammapy benutzt, um morphologische und spektrale Modelle der gamma-Emission zu erstellen. Zur Modellauswahl wird das Akaike-Informationskriterium angewandt. Die Ergebisse der Analysen werden weiter mit Daten aus anderen Wellenlängenbereichen kombiniert, um Schlüsse auf den möglichen Ursprung der TeV-Signale zu ziehen. Neben Hinweisen auf eine diffuse gamma-Emission und mehrerer Hotspots um Westerlund 2 ist die Detektion von drei ausgedehnten gamma-Strahlungsquellen das Hauptergebnis der dargelegten Analysen. Zusätzlich zu den bekannten Quellen HESS J1023-575 und HESS J1026-582 wird die Detektion einer neuen, elliptischen Quelle südöstlich von HESS J1023-575 präsentiert. Diese neue Quelle, als ''TeV jet cloud'' bezeichnet, zeigt räumliche Übereinstimmung mit länglichen Gaswolken, die in CO und HI Radio Daten gefunden wurden. Der Ursprung dieser Gaswolken könnte der Jet eines Mikroquasars oder einer anisotropischen Supernova sein. Eine weitere räumliche Übereinstimmung zeigt HESS J1023-575 mit einer sphärischen Gaswolke, die ihren Ursprung in einer Supernova haben könnte. HESS J1023-575 und die Gaswolken sind dabei symmetrisch zur Hauptachse der neuen elliptischen gamma-Quelle ausgerichtet, was eine Verbindung der Komponenten in einem hadronischen Emissionszenario nahelegt. Aus den Wolkenmassen und der gamma-Emission ergibt sich eine Verstärkung der kosmischen Strahlung in der Region, was auf aktive Teilchenbeschleunigung hindeutet. Sollte ein Mikroquasar in der Region gefunden werden, könnte dieses die erste Detektion eines galaktischen hochenergetischen Jets mit Cherenkov Teleskopen sein.
description: This work presents a study of the TeV gamma-ray emission in the region of the stellar cluster Westerlund 2. The main dataset analysed in this work was obtained with the imaging atmospheric Cherenkov telescopes of the High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.), comprising a total of ~80h of observation time. The high-level analysis of the dataset is performed with the open-source software gammapy to produce extensive spectral and spatial models for the observed emission. The best-fitting models are determined by using the Akaike information criterion. The results are combined with findings from other wavelengths to probe different emission scenarios. Besides hints of a diffuse emission and the detection of multiple hotspots, the presented studies yield three extended gamma-ray sources around Westerlund 2. Besides the known sources HESS J1026-582 and HESS J1023-575, an elongated elliptical gamma-ray source referred to as ''TeV jet cloud'' is newly found to the south east of HESS J1023-575. It shows a spatial coincidence with elongated cloud structures seen in CO and HI radio data which may originate from a high energy jet of a mircroquasar or an anisotropic supernova. Another spatial agreement is seen between HESS J1023-575 and a spherical shell of hydrogen gas which may be the remains of an old supernova remnant. HESS J1023-575 and the gas cloud structures symmetrically align along the major axis of the TeV jet cloud. This suggests a connection of these components in a hadronic emission scenario. Combining the masses of the clouds with the measured gamma-ray flux yields a high cosmic ray enhancement factor, suggesting active particle acceleration in the region. If a microquasar would be found around the best-fit position of HESS J1023-575, this could be the first detection of a galactic high energy jet at TeV energies with Cherenkov telescopes.