Observational studies on the population of binaries in the gamma-ray sky

Binärsysteme sind eine aufstrebende Klasse galaktischer Gammastrahlungsquellen, anhand derer man Teilchenbeschleunigung unter periodisch variablen Bedingungen untersuchen kann. Während der letzten fünfzehn Jahre wurde dank der aktuellen Generation von Gammastrahlungsobservatorien eine große Vielfalt unter diesen Systemen entdeckt. Besonders interessant für die Untersuchung variabler Schocks ist hierbei die Klasse der Colliding-Wind Binaries, bei der zwei massereiche Sterne einander umkreisen und dabei durch ihre dichten und starken Sternwinde miteinander wechselwirken. Beim Aufeinandertreffen dieser Winde bilden sich zwischen den beiden Sternen Schockstrukturen aus, die Teilchen auf hohe Energien beschleunigen können; wodurch sie, bei Beschleunigung von Hadronen oder leichteren Kernen, zu möglichen Quellen kosmischer Strahlung werden. Diese Systeme haben viel mit einer anderen Gruppe von Binärsternen gemein, der Population von High-Mass Gamma-Ray Binaries. Hier handelt es sich ebenfalls um massereiche Systeme, aber mit einem Kompacten Objekt: Ein ideales Labor zur Untersuchung relativistischer Winde unter variablen Bedingungen. Leider waren bei GeV-Energien nur ein Colliding-Wind Binary und acht High-Mass Gamma-Ray Binaries bekannt. Diese Dissertation widmet sich diesen Systemen, sowohl durch die Suche nach bisher unentdeckten Gammastrahlungs-Binärsystemen als auch neue Erkenntnisse über die bereits bekannten unter Ausnutzung von Multi-Wellenlängen-Beobachtungen. Ein Teil dieser Dissertation besteht aus einer detaillierten Hochenergiestudie des einzigen Colliding-Wind Binaries, der nachgewiesenermaßen Gammastrahlung emittiert, nämlich Carinae. Hierfür wurden sowohl Daten des Fermi Large Area Telescope als auch des High Energy Stereoscopic System verwendet. Darüber hinaus beinhaltet diese Arbeit die erstmalige Identifizierung von zwei neuen Binärsystemen, die Gammastrahlen aussenden - des Colliding-Wind Binary 2 Velorum und des neuen High-Mass Gamma-Ray Binary HESS J
Binaries are an emergent class of Galactic -ray sources which allow the study of particle acceleration processes under variable, periodic conditions. During the last fifteen years, the current generation of -ray observatories allowed the detection and discovery of a rich variety among those systems. Particularly interesting for the study of variable shocks are the population known as colliding-wind binaries, where two massive stars orbit each other interacting with their dense, powerful stellar winds. These winds eventually collide, forming shock structures between both stars that can accelerate particles up to high energies; if hadrons, making them possible sources of cosmic rays. These systems share many similarities with another group of binaries, the population of high-mass gamma-ray binaries. They are also massive stellar systems but with a compact object: an ideal laboratory to study relativistic winds under variable conditions. Unfortunately, only one colliding-wind binary and eight high-mass -ray binaries were known at high energies. This thesis is devoted to the study of these systems, trying to search for new binaries while providing further information about those already known using multi-wavelength observations. The research presented in this dissertation provides a detailed study at high and very-high energies of the only known -ray emitting colliding wind binary, Carinae using the Fermi Large Area Telescope and the High Energy Stereoscopic System. Besides, this work includes the identification of two new binaries emitting -rays the colliding-wind binary 2 Velorum and the new high-mass gamma-ray binary HESS J1832-093 enlarging the number of known binaries in the -ray sky. These discoveries challenge the current understanding of both populations and suggest that current systematic searches for new binaries might pass over faint systems at GeV energies.
by Guillem Martí-Devesa BSc, MSc
Kumulative Dissertation aus vier Artikeln
Zusammenfassung in deutscher Sprache
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Universität Innsbruck, Dissertation, 2020
OeBB
(VLID)5353337