Karsten Berger

• 20 years after the discovery of the Crab Nebula as a source of very high energy gamma-rays, the number of sources newly discovered above 100 GeV using ground-based Cherenkov telescopes has considerably grown, at the time of writing of this thesis to a total of 81. The sources are of different types, including galactic sources such as supernova remnants, pulsars, binary systems, or so-far unidentified accelerators and extragalactic sources such as blazars and radio galaxies. The goal of this thesis work was to search for gamma-ray emission from20 years after the discovery of the Crab Nebula as a source of very high energy gamma-rays, the number of sources newly discovered above 100 GeV using ground-based Cherenkov telescopes has considerably grown, at the time of writing of this thesis to a total of 81. The sources are of different types, including galactic sources such as supernova remnants, pulsars, binary systems, or so-far unidentified accelerators and extragalactic sources such as blazars and radio galaxies. The goal of this thesis work was to search for gamma-ray emission from a particular type of blazars previously undetected at very high gamma-ray energies, by using the MAGIC telescope. Those blazars previously detected were all of the same type, the so-called high-peaked BL Lacertae objects. The sources emit purely non-thermal emission, and exhibit a peak in their radio-to-X-ray spectral energy distribution at X-ray energies. The entire blazar population extends from these rare, low-luminosity BL Lacertae objects with peaks at X-ray energies to the much more numerous, high-luminosity infrared-peaked radio quasars. Indeed, the low-peaked sources dominate the source counts obtained from space-borne observations at gamma-ray energies up to 10 GeV. Their spectra observed at lower gamma-ray energies show power-law extensions to higher energies, although theoretical models suggest them to turn over at energies below 100 GeV. This opened the quest for MAGIC as the Cherenkov telescope with the currently lowest energy threshold. In the framework of this thesis, the search was focused on the prominent sources BL Lac, W Comae and S5 0716+714, respectively. Two of the sources were unambiguously discovered at very high energy gamma-rays with the MAGIC telescope, based on the analysis of a total of about 150 hours worth of data collected between 2005 and 2008. The analysis of this very large data set required novel techniques for treating the effects of twilight conditions on the data quality. This was successfully achieved and resulted in a vastly improved performance of the MAGIC telescope in monitoring campaigns. The detections of low-peaked and intermediate-peaked BL Lac objects are in line with theoretical expectations, but push the models based on electron shock acceleration and inverse-Compton cooling to their limits. The short variability time scales of the order of one day observed at very high energies show that the gamma-rays originate rather close to the putative supermassive black holes in the centers of blazars, corresponding to less than 1000 Schwarzschild radii when taking into account relativistic bulk motion.…
• 20 Jahre nachdem zum ersten Mal hoch energetische Gamma-Strahlung aus der Richtung des Krabbennebels detektiert wurde, ist die Zahl der mit erdgebundenen Tscherenkow Teleskopen neu entdeckten Quellen oberhalb von 100 GeV erheblich gestiegen, auf insgesamt 81, zum derzeitigen Stand dieser Arbeit. Die Quellen haben unterschiedliche Ursprünge, die von galaktischen Objekten, wie z.B. Supernova Überresten, Pulsaren, Doppelsystemen zu bisher nicht identifizierten Objekten und extragalaktischen Objekten wie Blazaren und Radio Galaxien reicht. Das Ziel20 Jahre nachdem zum ersten Mal hoch energetische Gamma-Strahlung aus der Richtung des Krabbennebels detektiert wurde, ist die Zahl der mit erdgebundenen Tscherenkow Teleskopen neu entdeckten Quellen oberhalb von 100 GeV erheblich gestiegen, auf insgesamt 81, zum derzeitigen Stand dieser Arbeit. Die Quellen haben unterschiedliche Ursprünge, die von galaktischen Objekten, wie z.B. Supernova Überresten, Pulsaren, Doppelsystemen zu bisher nicht identifizierten Objekten und extragalaktischen Objekten wie Blazaren und Radio Galaxien reicht. Das Ziel dieser Arbeit war es nach Gamma-Strahlung von einer bestimmten Art von Blazaren zu suchen, die bisher nicht im Hochenergie Gamma Bereich detektiert werden konnten. Für die Suche werden die Daten des MAGIC Teleskops auf La Palma verwendet, welches das weltweit größte Teleskop seiner Art ist. Alle bisher entdeckten Blazare waren vom gleichen Typ, der sogenannten Klasse der “high-peaked BL Lacertae”. Diese Quellen emittieren nicht thermische Strahlung und zeigen ein Maximum in der Radio-zu-Röntgen Spektralverteilung bei Röntgenenergien. Die gesamte Blazar Population reicht von diesen seltenen BL Lacertae Objekten mit niedriger Leuchtkraft und einem Maximum im Röntgenbereich hin zu den sehr viel zahlreicheren Radio Quasaren mit hoher Leuchtkraft, deren Maximum der Spektralen Energieverteilung im Infrarotbereich liegt. Tatsächlich dominieren diese “low-peaked” Quellen die Populationsstudien von satellitengestützten Gammabeobachtungen im Energiebereich bis zu 10 GeV. Ihre Spektren im niederenergetischen Gammabereich lassen sich exponentiell bis zu höheren Energien extrapolieren, ohne dass ein Abbruch erkennbar ist, obwohl theoretische Modelle einen Wendepunkt unterhalb von 100 GeV erwarten. Darauf begründet wurden Beobachtungen mit dem MAGIC Tscherenkow Teleskop durchgeführt, welches die derzeit niedrigste Energieschwelle besitzt. Im Rahmen dieser Arbeit konzentrierte sich die Suche auf die bekannten Quellen BL Lac, W Comae und S5 0716+714. Zwei von diesen Quellen wurden eindeutig im Hochenergetischen Gammabereich mit dem MAGIC Teleskop entdeckt, basierend auf insgesamt etwa 150 Stunden an Daten, die zwischen 2005 und 2008 gesammelt wurden. Die Analyse dieses sehr großen Datensatzes benötigte neue Techniken um die Effekte von Beobachtungen unter Dämmerungsbedingungen auf die Datenqualität untersuchen zu können. Die erfolgreiche Anwendung sorgte für eine gewaltige Erweiterung der Performanz des MAGIC Teleskops während Überwachungskampagnen. Die Detektionen der sogenannten “low-peaked” und “intermediate-peaked” Objekte liegt im Rahmen der theoretischen Erwartungen, jedoch werden Modelle, die auf der Schockbeschleunigung von Elektronen und die Kühlung durch den umgekehrten Compton Prozess basieren an ihre Grenzen gebracht. Die beobachtete Kurzzeitvariabilität im hochenergetischen Gammabereich beträgt etwa einen Tag, was zeigt, dass die Gammastrahlung relativ nah am vermuteten Supermassiven Schwarzen Loch entsteht, weniger als 1000 Schwarzschild Radien entfernt, wenn man die Bewegung mit relativistischen Geschwindigkeiten berücksichtigt.…