Kurzfassung
Die im Rahmen dieser Promotion durchgeführte Forschung befasste sich Wechselwirkungen zwischen Very High Energy (VHE) γ-Strahlen und astrophysikalischen Magnetfeldern sowie dem Extragalactic Background Light (EBL). Das Hauptziel bestand darin, nach Signaturen ultraleichter Axion-Like Particles (ALPs) durch ihre Wechselwirkungen mit VHE γ-Strahlen zu
suchen. Diese Teilchen stellen auch einen vielversprechenden Kandidaten für Dunkle Materie dar.
Unser erstes Projekt zielte darauf ab spektrale “Oszillationen” zu finden, die durch Photon-ALP-Oszillationen in Gegenwart astrophysikalischer Magnetfelder induziert werden. Als VHE γ-Strahlenquelle wählten wir den Messier 87 AGN, der sich bei z ∼ 0,0042 im Zentrum des Virgo-
Clusters befindet. Wir implementierten ein Modell der Gaußschen Turbulenz für das Magnet-feld des Virgo-Clusters als radial variierende Funktion, Abhängig vom Elektronendichteprofil.Elektronendichtemessungen und Berechnungen der Faraday-Rotationsmaße von M87 und M84 wurden angewendet, um die Modellparameter einzuschränken, was zu einem zentralen Magnet-feldwert von B0 = 34,2 µG führte. Wir modellierten spektrale Oszillationen als Ergebnisse verschiedener pseudo-randomisierter Magnetfeldrealisierungen entlang der Sichtlinie. Wir führten
Likelihood-Ratio-Tests und andere statistische Analysen durch, um etwaige Präferenzen für unsere Modelle zu verifizieren, indem wir die pseudo-zufälligen Modelle an Daten aus H.E.S.S.-Beobachtungskampagnen anpassten. Wir wählten Beobachtungen aus den Jahren 2005, 2010
und 2018, als die Quelle Berichten zufolge in Flare-/Hochzuständen beobachtet wurde. Unsere Ergebnisse waren statistisch nicht schlüssig und zeigten bestenfalls eine Präferenz von < 2σ für die ALP Hypothese. Rein spekulativ könnte dies auf einen möglichen Signalbereich inner-
halb unseres Parameterraums hindeuten. Berichte über das magnetfeldmodell und die Einschränkungen sowie die ALP-Suche wurden als Proceedings beim Heidelberger Internationalen Symposium 2022 und bei der ICRC 2023 vorgestellt und veröffentlicht.
Über unsere ALP-Suchen hinaus konnten wir auch Beiträge zu den Bereichen EBL-Forschung und γ-Astronomie leisten. Wir machten eine erstmalige Detektion intrinsischer Krümmung im VHE γ-Strahlenspektrum des von Messier 87 beherbergten aktiver galaktischer Kern während
Flares. Wir detektierten eine solche spektrale Krümmung mit einer Konfidenz von ∼ 4σ. In einer kombinierten Analyse mit Kollegen der H.E.S.S.-Kollaboration konnten wir denselben Datensatz nutzen, um obere Grenzen für den Normalisierungsterm von drei EBL-Modellen zu
setzen, die in der γ-Astrophysik weit verbreitet sind. Die Entdeckung der Krümmung sowie die EBL-Modelleinschränkungen wurden 2024 als peer-reviewed Kollaborationsartikel in der Zeitschrift Astronomy & Astrophysics veröffentlicht.
Ein weiteres durchgeführtes Projekt suchte nach ALP-induzierten Anstiegen in den VHE-Spektren von γ-Strahlungsquellen. Wir suchten nach spektralen Anstiegen und versuchten, diese mit ALP-induzierter Transparenz des Universums für VHE γ-Strahlen in Verbindung zu
bringen. Wir modellierten die Anstiege als Ergebnisse pseudo-randomisierter Realisierungen der intergalaktischen und galaktischen Magnetfelder entlang der Sichtlinie. Wir passten diese Modelle an unseren Datensatz an und führten Likelihood-Ratio-Tests durch. Wir beobachteten bestenfalls einen Grenzfall, bei dem das ALP-Modell mit ∼ 4σ ausgeschlossen werden konnte. Wir erstellten einen umfangreichen und robusten Datensatz, bestehend aus Beobachtungen unserer 13 Kandidaten-Blazare, die alle während H.E.S.S.-Beobachtungskampagnen in Flare-Zuständen beobachtet wurden. Der Datensatz wurde analysiert und zeitlich segmentiert, wenn eine Quelle signifikante Variabilität in ihrem Emissionsmuster in Bezug auf den beobachteten Fluss und die spektrale Härte aufwies. Der Datensatz hat potenzielle Anwendungen für verschiedene Arten der astrophysikalischen Forschung und wird nach der Veröffentlichung unserer Ergebnisse öffentlich zugänglich gemacht. Diese Studien werden von Kollegen unternommen.
The work undertaken during this Doctoral period involved studying interactions of Very High Energy (VHE) γ-rays with Astrophysical magnetic fields and the Extra-galactic Background Light (EBL). The primary goal was to search for signatures of ultralight Axion Like Particles (ALPs) via their interactions with VHE γ-rays. These particles are also a promising Dark Matter candidate. Our first project attempted to find spectral “wiggles” induced by photon-ALP oscillations in the presence of Astrophysical magnetic fields. Our candidate VHE γ-ray source was the Messier 87 Active Galactic Nucleus, located at z ∼ 0.0042 at the center of the Virgo cluster. We chose to implement a Gaussian turbulence model for the Virgo cluster magnetic field as a radially varying function dependent on the electron density profile. Electron density measurements and calculations of Faraday Rotation measures from M87 and M84 were applied to constrain the model parameters, giving us a central magnetic field value of B0 = 34.2 µG. We modeled spectral wiggles as outcomes of various pseudo-randomized magnetic field realizations along the line of sight. We performed Likelihood ratio tests and other statistical analyses to verify any preferences for our models, fitting the pseudo-random models against data from H.E.S.S. observational campaigns. We chose observations from 2005, 2010 and 2018 when the source was reported to have been observed in flaring/high states. Our results were statistically inconclusive, showing at best only a preference of < 2σ for the ALPs case. Strictly speculatively, this may hint at a possible signal region within our parameter space. Reports of the magnetic field model and constraints, along with the ALP search were presented and published as proceedings at the Heidelberg International Symposium 2022 and at ICRC 2023 respectively. Beyond our ALP searches, we were also able to make contributions toward the fields of EBL research and γ-ray Astronomy. We made a first-ever detection of intrinsic curvature in the VHE γ-ray spectrum of the AGN hosted by Messier 87 during flares. We detected such a spectral curvature in with a confidence of ∼ 4σ. In a combined analysis with colleagues from the H.E.S.S. Collaboration, we were able to utilize the same data set to place upper limits on the normalization term of three EBL models which are widely used in the field of γ-ray Astrophysics. The discovery of curvature, along with the EBL model constraints were published as a peer reviewed collaboration paper in the Astronomy & Astrophysics Journal in 2024. Another project during the research period searched for ALP induced upturns in the VHE spectra of γ-ray sources. We searched for, and attempted to relate spectral upturns to ALP induced transparency of the Universe to VHE γ-rays. We model the upturns as outcomes of pseudo randomized realizations of the intergalactic and galactic magnetic fields along the line of sight. We fit these models against our data set and performed Likelihood ratio tests. We see at best one limiting case where the ALPs model can be ruled out at ∼ 4σ. We constructed an elaborate and robust dataset consisting of observations of our 13 candidate blazars, all of which have been observed in flaring states during H.E.S.S. observational campaigns. The data set was analyzed and temporally segmented where any source exhibited significant variability in its emission pattern with respect to its observed flux and spectral hardness. The data set has potential application for various types of Astrophysics research and will be made publicly available after publication of our results. This effort is being undertaken by colleagues.