Nachweis von diffuser Emission in der VHE Domäne

Diffuse Emission stellt die prominenteste Signatur am Himmel bei Gigaelektronvolt (GeV) dar. Diffuse Emission aus unserer Galaxie wurde bereits beobachtet bevor einzelne Gammastrahlungsquellen nachweisbar waren und gilt seitdem als Quelle für unser Wissen über Wechselwirkungen von Teilchen der Kosmischen Strahlung und Strahlungsprozessen. Diffuse GeV-Emission stellt noch immer das systematische Limit für Quelldetektionen dar. Im Gegensatz zum GeV-Regime, welches wesentlich von der diffusen galaktischen Emission dominiert ist, ist die Suche nach diffuser Emission im Teraelektronvolt-Bereich (TeV) noch in den Kinderschuhen, hauptsächlich, da der Hintergrund geladenen kosmischen Teilchen ein prinzipielles instrumentelles Problem der atmosphärischen Cherenkovtechnik darstellt. Nichtsdestoweniger ist auch im Höchstenergiebereich diffuse Emission zu erwarten, auf galaktischen Skalen von hadronischen Wechselwirkungen mit intergalaktischen Gas und Inverser Comptonstreuung von Hochenergieelektronen in interstellaren Strahlungsfeld(ern) als auch auf kleinen Skalen in der Nähe kosmischer Teilchenbeschleuniger. Beide Prozesse ermöglichen das Studium des Entweichens von Teilchen aus den Regionen der Teilchenbeschleunigung. Das letzte, höchstenergetische Fenster für astronomische Beobachtungen wurde durch die systematischen Beobachtungen mit dem H.E.S.S.-Teleskopsystem aufgestoßen, ein Erfolg, der unter anderem durch den Descartes-Preis 2006 und den Rossi-Preis 2010 gewürdigt wurde. Eines der wesentlichen Leistungen vollbrachte H.E.S.S. mit der Durchführungen einer zentralen galaktischen Himmelsdurchmusterung, die zur Entdeckung von mehr als 50 neuen Quellen führte. Das vorgeschlagene Projekt zielt auf den erstmaligen Nachweis der Existenz also auch die räumliche und spektrale Beschreibung von Signaturen diffuser Emission bei TeV-Energien. H.E.S.S.-Beobachtungen werden mit Vorhersagen eines speziell für diese Untersuchungen zu entwickelnden Emissionsmodells verglichen. Auf der instrumentellen Seite erfordert eine derartige Untersuchung die Grenzen der atmosphärischen Cherenkovtechnik anzutasten, da effizientere Methoden zur Hintergrundreduktion nötig werden. Dafür sind komplexere Modellierungen des isotropen Hintergrundes an geladenen Teilchen und die Entwicklung einer likelihood-Analysetechnik nötig, wobei letztere ein Novum für die Analyse von VHE-Daten darstellen wird. Systematische Effekte vom geomagnetischen Feld und die Helligkeitsunterschiede des Himmelsuntergrundes müssen dediziert berücksichtigt werden. Die Konstruktion eines diffusen TeV-Emissionsmodelles ist eine anspruchsvolle Aufgabe, da energieabhängiges Entweichen von geladenen Teilchen aus der Beschleunigungsregion ähnliche Signaturen wie Diffusion und Konvektion auf größeren Skalen in der Milchstraße erwarten lässt. Die Detektion diffuser VHE-Emission stellt eine wesentliche wissenschaftlichen Leistung dar und bietet die Chance, Teilchenbeschleunigung in der Milchstraße bis zum 1015 eV als auch die Injektion von Teilchen ins Interstellare Medium zu untersuchen. Das Projekt hat eine enge Beziehung zum GeV-Regime, wird aber zu diesem mittels einer komplementären Beobachtungstechnik satellitenbasierter direkter Nachweis gegenüber bodengestützter indirekte Luftschauertechnik erstmals in einer nicht-quellenbezogenen Untersuchung anknüpfen können. Die Intensität und Energieabhängigkeit der verschiedenen Konstituenten der diffusen galaktischen Emission wird unser Verständnis gemeinsamer physikalischer Prozesse vom GeV-Energiebereich bis zum Ende des gegenwärtig beobachtbaren elektromagnetischen Spektrums ermöglichen. Von der Bestimmung des nichtreduzierbaren Hintergrundes wird auch das künftige Cherenkov Telescope Array profitieren, da erstmals eine solide methodische Grenze für die Detektion von Höchstenergie-Gammaquellen etabliert werden kann als auch die systematische Suche nach den Teilchen der Dunklen Materie über einen weiten Massebereich von WIMPs in der Galaktischen Ebene zulässt. Das Projekt wird es gestatten, von einzelnen Quellen auf Populationen zu schließen und damit erstmals eine sichere Vorhersage des Anteils an unaufgelösten Quellen am Gammahimmel ermöglichen.

Diffuse Emission ist das markanteste Merkmal des Himmels im Lichte hochenergetischer Gammastrahlung im Gigaelektronvoltbereich (GeV) und wurde bereits untersucht, als Einzelobjekte noch nicht beobachtbar waren. Seitdem ist die diffuse Gammastrahlung eine wesentliche Quelle unseres Verständnisses von Wechselwirkungen geladener kosmischen Teilchen und Strahlungsprozessen. Bei noch höheren Energien im Teraelektronvoltbereich (TeV) sind Studien der diffusen Emission aufgrund des dominanten Hintergrundes der geladenen Teilchen für experimentelle Techniken kompliziert. Diffuse Emission wird allerdings auch im TeV-Bereich erwartet, sowohl von Wechselwirkungsprozessen von Protonen und Kernen mit dem interstellaren Gas als auch durch Inverse Compton- Streuung von Elektronen und Photonen der interstellaren Strahlungsfelder. Der Nachweis und die Charakterisierung von diffuser Emission stellte das Ziel dieses Projektes dar und erforderte sowohl die Bereitstellung eines adäquaten Modells der zu erwarteten Emission als auch die Entwicklung, Verifizierung und Anwendung dedizierter Analysisalgorithmen. Ein speziell auf das Problem zugeschnittenes Emissionsmodell ist notwendig, um die Energieverluste bei TeV-Energien mit den Skalen noch räumlich aufgelöster Strukturen zu verbinden. Die Entwicklung völlig neuer und präziser Rekonstruktionstechniken wurde nötig, um über die bestehenden Limits in Sensitivität und räumlicher Auflösung in der Datenanalyse zu überschreiten. Um entsprechende Verbesserungen in der Analyse zu erzielen wurde erstmals überhaupt das Teleskopverhalten auf Zeitskalen von einzelnen Beobachtungen simuliert. Entsprechend konnten zwei signifikante Erfolge im Projekt erzielt werden: Die Modellierung von Teilchentransport in der Milchstraße gestattet nun dedizierte Modellvorhersagen fürden Energiebereichderbodengestützten Gammastrahlenastronomie. Die dabei erreichte Qualität führte nicht nur zu entsprechenden Publikationen, sondern wurde bereits Teil der wissenschaftlichen Vorbereitung der nächsten Experimentgeneration (Cherenkov Telescope Array Observatory). Auf der instrumentellen Seite führten die Entwicklung und Applikation entsprechender Analysealgorithmen zu in diesem Ausmaß unerwarteten Verbesserungen in der Analyse der Beobachtungen des H.E.S.S.-Experimentes. So konnten wissenschaftliche Resultate erreicht werden, die entweder gerade publiziert werden (First measurement of the extension of the Crab Nebula) oder zur Publikation vorbereitet werden (First resolved analysis of the VHE emission of the Radio-Galaxy Centaurus A). Diese Ergebnisse sind von hoher wissenschaftlicher Aktualität und haben Priorität gegenüber dem eigentlichen wissenschaftlichen Zeil dieses Projektes erlangt. Der Nachweis der diffusen Emission im TeV-Bereich selbst ist ein kollaboratives Projekt geworden, das mit den im Rahmen des österreichisch-französischen Forschungsprojektes entwickelten Modellen und Analysen gegenwärtig in den Daten des H.E.S.S.-Experimentes ausgeführt wird.