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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. / 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.

Der TAIGA Detektor (“Tunka Advanced Instrument for cosmic ray physics and Gamma Astronomy”) testet eine neue Nachweismethode der erdgebundenen Cherenkov Gamma Astronomie fuer 10TeV bis einige PeV, und fuer kosmische Strahlung oberhalb 100TeV: die Kombination abbildender und nicht-abbildender Cherenkov Detektoren in einem hybriden System. Im Fokus der Arbeit steht TAIGA-HiSCORE - ein Cherenkov Detektorfeld mit grosser Apertur zur Messung der Zeitstruktur der Cherenkovlichtfront in atmosphaerischen Luftschauern (EAS). Die Praezisonsvermessung der Schauerrichtung basiert auf (1) sub-nsec Zeitsynchronisation aller Detektoren, und (2) einer neuentwickelten Zeitkalibrationsmethode. Die Genauigkeit wird bestimmt mit experimentellen und simulierten EAS-Daten, spezieller LED-Kalibration und dem LIDAR Laserstrahl aus der International Space Station (ISS). Mit den HiSCORE9 Daten (2013-2014) wird die sub-nsec Zeitsynchronisation durch das White Rabbit Zeitsystem unter realen Bedingungen nachgewiesen. Eine neue, auch fuer grosse Cherenkov-Detektorfelder praktikable Zeitoffset-Kalibration aller Detektoren wurde entwickelt, und fuer HiSCORE28 (2015-2018) angewandt. Diese hybride Kalibration basiert auf EAS-Ereignissen und direkter LED-Kalibration fuer lediglich eine begrenzte Zahl von Detektoren. Die Genauigkeit der Luftschauer-Richtungsrekonstruktion wird ueber die “Schachbrett-Methode” MC-unabhaengig bestimmt zu 0.4° an der Energieschwelle (50TeV) und <= 0.2° fuer > 100TeV. Eine wichtige Zufallsentdeckung war mit HiSCORE28 moeglich: der Laser des ISS-CATS-Lidars wurde in richtungsrekonstruierten Daten von HiSCORE28 nachgewiesen. Mit den “ISS Ereignissen” gelang es, sowohl die Rekonstruktionsgenauigkeit von HiSCORE, als auch das “absolute pointing” zu messen (<=0.1°) - besonders wichtig, da eine starke Gamma-Quelle im Datensatz bisher nicht nachgewiesen wurde. Im Schlussteil der Arbeit wird ein Methode zur Punktquellensuche im gesamten Gesichtsfeld von TAIGA-HiSCORE vorgestellt. / The TAIGA (Tunka Advanced Instrument for cosmic ray physics and Gamma Astronomy) detector is a new ground-based Cherenkov detection technology for gamma-astronomy from 10TeV up to several PeV, and cosmic rays (CR) above 100TeV. The main topic of this work is TAIGA-HiSCORE, the wide-aperture air Cherenkov timing array. The focus is on precision extensive air shower (EAS) arrival direction reconstruction, achieved by (1) sub-nsec time-synchronization between the array stations, and (2) a newly developed array time calibration procedure. The performance is verified using simulated and experimental data from EAS, dedicated LED calibration, and a LIDAR laser beam from the International Space Station (ISS). The analysis of the HiSCORE 9 data (2013-14), collected with a data acquisition system (DAQ) based on the White Rabbit (WR) timing system, allows to verify the sub-nsec time synchronization between the array stations. The analysis of HiSCORE 28 data (2015-2018) addresses the problem of achieving an easy-to-perform time calibration for large area ground-based Cherenkov array. A new "hybrid" calibration method is developed, which makes use of EAS data, and requires direct LED calibration of only a few array stations. The "chessboard" method is applied on the reconstructed data to obtain a MC-independent estimation of the detector angular resolution, found to be 0.4° at threshold (~50TeV) and <= 0.2° above 100TeV. A serendipitous discovery was made in this work: a signal from the CATS-LIDAR on-board the ISS was found in the HiSCORE 28 data. These "ISS-events" are used to verify the detector performance, in particular the absolute angular pointing (<= 0.1°), particularly important since a strong gamma point source has not yet been detected by the TAIGA-HiSCORE. The final part of the work presents a first preliminary approach to a wide aperture point source analysis, developed for the TAIGA-HiSCORE in stand-alone operation.

Der Ursprung ultra-hochenergetischer kosmischer Strahlung (UHECRs) ist immer noch unbekannt. Neutrinoteleskope wie IceCube messen einen Fluss hochenergetischer astrophysikalischer Neutrinos, dessen erwarteter Ursprung Wechselwirkungen kosmischer Strahlung (CR) ist. Jedoch scheinen die Ankunftsrichtungen der beobachteten Neutrinos nicht signifikant mit den Koordinaten bekannter, hochenergetischer astrophysikalischer Quellen zu korrelieren. Wir tragen zum Verständnis dieses Problems durch die Untersuchung von Blazaren, eine Klasse aktiver Galaxienkerne, bei. Motiviert durch Hinweise, dass ein Teil der UHECRs schwerer als Protonen ist, modellieren wir die Wechselwirkungen einer Population beschleunigter Kerne mit den umgebenden Photonfelder in Blazaren. Wir folgern, dass in Blazaren niedriger Luminosität beschleunigte CRs nicht effizient wechselwirken. In hellen Blazaren sind photo-hadronische Wechselwirkungen effizient, was zu starker Neutrinoproduktion und zur Entwicklung einer nuklearen Kaskade führt. Wir berechnen die Neutrinoemission der gesamten Verteilung von Blazaren, und folgern, dass eine Population niedriger Luminosität, die derzeit nicht beobachtet, aber theoretisch erwartet wird, den gesamten IceCube-Fluss bei den höchsten Energien erklären kann. Weiterhin modellieren wir den Blazar TXS 0506+056, aus dessen Richtung ein Neutrino während einer Phase erhöhter elektromagnetischer Aktivität detektiert wurde. Wir testen die Hypothese, dass ein Signal von 13+/-5 Neutrinos, die in IceCube aus der selben Richtung im Jahr 2014-15 gemessen wurden, von der selben Quelle stammt. Unser Modell kann höchstens 5 Ereignisse erklären. Schließlich untersuchen wir das erste beobachte Ereignis verschmelzender Neutronensterne, GW170817, als CR-Beschleuniger. Wir modellieren die Quelle und zeigen, dass Radio- und Röntgenmessungen strikte Beschränkungen der magnetischen Feldstärke nach sich ziehen. Wir zeigen, dass diese Quelle in der Lage ist, CRs zu emittieren. / The origin of ultra-high-energy cosmic rays (UHECRs) is still unclear. Neutrino telescopes like IceCube have observed a flux of high-energy cosmic neutrinos, expected to originate in cosmic ray (CR) interactions. However, their arrival directions do not statistically correlate with the positions of known high-energy astrophysical sources. In this thesis we explore blazars, a class of active galaxies, as potential UHECR accelerators. Motivated by evidence that a fraction of the UHECRs are heavier than protons, we model the interactions of CR nuclei with the photon fields present in blazars, in order to estimate the emitted neutrino and UHECR spectrum. We conclude that in dim blazars, accelerated CRs do not interact efficiently due to the low photon density, but instead escape the source unscathed. In bright blazars, photo-hadronic interactions are more efficient, leading to abundant production of neutrinos and lighter nuclei. We use this model to quantify the neutrino emission from the entire cosmological blazar population. We conclude that low-luminosity blazars currently unobserved but expected theoretically, can explain the entire IceCube flux at the highest energies. We then focus on blazar TXS 0506+056, from whose direction a neutrino was recently detected during an electromagnetic flaring state. We test the hypothesis that a signal of 13+/-5 neutrinos observed by IceCube from the same direction in 2014-15 may have originated in the same source. Given the constraints from multi-wavelength observations, this model can explain at most 5 neutrino events. Finally, we study the remnant of the first neutron star merger ever observed, object GW170817. We model the particle interactions in the source and show that multi-wavelength observations can provide a constraint on the magnetic field strength. We estimate that this source may be an efficient CR emitter, which shows the importance of future multi-messenger observations to better constrain this source type.