VERITAS, ein abbildendes atmosphärisches Cherenkov-Teleskopsystem der dritten Generation, erlaubt es Spektren von hochenergetischer (E > 100 GeV) Gammastrahlung mit grosser Präzision zu messen. Anhand dieser Energiespektren können Rückschlüsse über die Beschleunigungsmechanismen in der Gammastrahlungsquelle gezogen werden. Spektrale cut-offs können durch eine maximale, verfügbare Energie in der Quelle zu Stande kommen. In dieser Arbeit wurden 108 Stunden VERITAS-Daten des Blazars Markarian 421 mit Hilfe eines neu implementierten Forward Folding Algorithmus analysiert. Durch Forward Folding kann die komplette instrumentelle Antwortfunktion, einschliesslich Energieauflösung und -bias, in der Energierekonstruktion berücksichtigt werden. Diese Methode erlaubt es insbesondere spektrale Merkmale, wie etwa einen exponentiellen Cut-off, mit hinreichender Signifikanz zu beobachten. Zudem können die spektralen Parameter mit grosser Genauigkeit bestimmt werden. Eine Abhängikgeit des spektralen Index von der Flussstärke von Markarian 421 konnte mit einer Signifikanz von > 3 Sigma nachgewiesen werden. Diese wurde als eine Verschiebung des Maximums der Emission, die auf dem Inversen Comptoneffekt basiert, zu höheren Energien interpretiert. Neben der Anwendung des Forward Folding auf Daten von Markarian 421, wurde das allgemeine Potential dieser Methode zur Detektion exponentieller Cut-offs mit VERITAS und CTA, dem TeV Gammastrahlenobservatorium der nächsten Generation, untersucht. Diese Studien zeigen den Einfluss der Energieauflösung auf und quantifizieren die Sensitivität auf Cut-offs bei verschiedenen Energien. / VERITAS, an array of four imaging atmospheric Cherenkov telescopes, is capable of measuring spectra of very-high-energy (E > 100 GeV) gamma-rays with high precision. On the basis of these spectra, conclusions can be drawn about the acceleration mechanisms in gamma-ray sources. For instance, spectral cut-offs can indicate that there is a maximal energy available in the source. In this work, 108 h of VERITAS data on the blazar Markarian 421 have been analysed by means of an implementation of a Forward Folding algorithm. By Forward Folding the complete instrument response function, factors including energy resolution and bias can be taken into account in the energy reconstruction. In particular, this method facilitates significant detections of spectral features, such as an exponential cut-off, and additionally, the spectral parameters can be determined with great accuracy. A dependence of the spectral index on the flux level of Markarian 421 could be detected with a significance of > 3 Sigma. This dependence was interpreted as a shift of the peak energy of Inverse Compton emission to higher energies. Besides the application of Forward Folding to data of Markarian 421, the potential to detect exponential cut-offs with VERITAS and CTA, the next generation ground based gamma-ray observatory, with this method was investigated. This study shows the influence of the energy resolution on the sensitivity of the instrument to spectral cut-offs. This sensitivity has been quantified for various cut-off energies.

La physique des Astroparticules est la discipline du point de rencontre de l'infiniment grand et de l'infiniment petit, ou chercheurs issus de l'astrophysique et de la physique des particules, ont la possibilité d'explorer ensemble l'Univers pour mieux s'interroger sur les questions de physique, de cosmologie et d'astrophysique. Plus particulièrement l'astrophysique à haute énergie, qui a pour objet l'étude des sources extrêmes, celles où se produisent les plus grands transferts d'énergie, est le domaine où l'on examine le rayonnement cosmique plus énergétique en qualité de messagers privilégiés pour mieux comprendre l'histoire et les origines de l'Univers. Mon parcours de recherche, résumé dans cette mémoire de HDR, est marqué par des contributions au développement de nouvelles technologies de détection, aux études de perspectives, aux analyses de données et aussi à des études phénoménologiques sur des sujets qui sont aussi les principaux objectives scientifiques des expériences dans lesquelles j'ai eu la chance de m'impliquer : AMS, ANTARES, HESS, CTA et POLAR. Toutes mes contributions sont le résultat d'une activité de recherche cohérente avec deux principaux intérêts scientifiques en physique des astroparticules: - L'étude du rayonnement de haute énergie pour dévoiler la vraie nature de la matière noire. - L'étude de l'origine du rayonnement cosmique Galactique pour l'investigation de phénomènes les plus violents de l'Univers.

Trotz der beeindruckenden Fortschritte, die die Röntgen- und Gammastrahlenobservatorien in den letzten Jahrzehnten erzielt haben, ist der Energiebereich zwischen 200 keV und 50 MeV nach wie vor kaum erforscht. Diese Lücke, die in der Literatur oft als ``MeV-Lücke'' bezeichnet wird, ist nicht auf einen Mangel an überzeugender Wissenschaft zurückzuführen, sondern auf technische Herausforderungen und Nachweisschwierigkeiten, die mit MeV-Beobachtungen einhergehen. COMPTEL an Bord von CGRO (1991-2000) war das letzte Teleskop, das eine vollständige Durchmusterung des MeV-Himmels mit einer relativ bescheidenen Empfindlichkeit durchführte. Für die Zukunft sind zahlreiche Missionen vorgeschlagen worden, insbesondere AMEGO, die die Leistung von COMPTEL um mindestens eine Größenordnung verbessern sollen. Der Zeitrahmen für die Entwicklung, den Aufbau und den Start solch großer Missionen beträgt jedoch etwa 10 Jahre und ist mit erheblichen Kosten verbunden. In diesem Szenario könnte ein viel kleinerer Satellit, der sich der neuen Welle von schnellen, relativ kostengünstigen Weltraumforschungsmissionen anschließt, die durch CubeSats ermöglicht werden, in kürzerer Zeit rentabel sein. In dieser Arbeit werden die Verfügbarkeit und die Leistung eines Compton-Teleskops auf der Grundlage des CubeSat-Standards, genannt MeVCube, untersucht. Die Auswirkungen der Materialwahl und verschiedener CubeSat-Nutzlasten wurden durch Simulationen bewertet. Trotz der begrenzten Größe kann selbst ein kleines Teleskop, das auf einem CubeSat fliegt, den Energiebereich von Hunderten von keV bis zu einigen MeV mit einer Empfindlichkeit abdecken, die mit der der letzten Generation von Großmissionen wie COMPTEL und INTEGRAL vergleichbar ist. Es wurden auch experimentelle Messungen an Cadmium-Zink-Tellurid-Halbleiterdetektoren und einer für den Weltraumbetrieb geeigneten Ausleseelektronik mit geringem Stromverbrauch durchgeführt. / Despite the impressive progresses achieved both by X-ray and gamma-ray observatories in the last decades, the energy range between 200 keV and 50 MeV remains poorly explored. This gap in coverage, often referred in literature as the ``MeV gap'', is not due to lack of compelling science, but instead to technical challenges and detection difficulties that comes with MeV observations. COMPTEL, on-board CGRO (1991-2000), was the last telescope to accomplish a complete survey of the MeV-sky with a relatively modest sensitivity. Many missions have been proposed for the future, most notably AMEGO, aiming to improve COMPTEL's performance by at least one order of magnitude. However, the timescale for development, assembly and launch of such large missions is around 10 years, with substantial costs. Looking at this scenario, a much smaller satellite, joining the new wave of rapid, relatively inexpensive space science missions enabled by CubeSats, may be profitable on a shorter time-scale. This thesis evaluates the availability and performance of a Compton telescope based on the CubeSat standard, named MeVCube. The impact of material choice and different CubeSat payloads has been evaluated through simulations. Despite the limited size, even a small telescope flying on a CubeSat can cover the energy range from hundreds of keV up to few MeVs with a sensitivity comparable to that of the last generation of large-scale missions like COMPTEL and INTEGRAL. Experimental measurements on Cadmium-Zinc-Telluride semiconductor detectors and low-power read-out electronics suitable for space operation have been performed as well.

Das Gebiet der bodengebundenen Gamma-Astronomie bietet Zugang zu Photonen im TeV-Energiebereich und hat sich in den letzten Jahrzehnten vor allem durch den Erfolg der abbildenden atmosphärischen Cherenkov-Technik profiliert. In dieser Arbeit werden zwei dieser Cherenkov-Teleskop-Systeme, VERITAS und das zukünftige CTA, mit Hilfe von Monte-Carlo-Simulationen in Hinblick auf deren Sensitivität auf hochenergetische Gammastrahlung (E > 50 GeV) untersucht. Besonderes Augenmerk wird hierbei auf die Beobachtungsmöglichkeit mit CTA unter Mondlicht gelegt. Es wird gezeigt, dass dadurch eine Beobachtungszeitverlängerung um etwa 30% ohne signifikante Sensitivitätsverluste erreicht werden kann, was besonders wichtig für zeitlich variable Quellen ist. Eine dieser variablen Quellklassen sind aktive Galaxienkerne, welche zur Zeit etwa ein Drittel der bekannten hochenergetischen Gammastrahlungsquellen repräsentieren. Die meisten davon sind Blazare, deren Emission durch nicht-thermische Strahlung aus gebündelten Strömen von Materie und Energie (sogenannten Jets) dominiert wird. Diese Jets breiten sich mit annähernd Lichtgeschwindigkeit aus und sind in Sichtlinie des Betrachters ausgerichtet. Der Blazar B2 1215+30 wurde zwischen 2008 und 2012 mit VERITAS fast 100 Stunden beobachtet. Die Datenanalyse, welche in dieser Arbeit präsentiert wird, weist die Quelle mit einer Signifikanz von neun sigma nach und offenbart Langzeitvariabilität mit einem hellen Flusszustand im Jahr 2011. Multi-Wellenlängen-Daten werden verwendet um die spektrale Energieverteilung von B2 1215+30 zu konstruieren, welche gut mit einem leptonischen Ein-Zonen-Modell beschrieben werden kann. Das verwendete Modell wird im Detail vorgestellt und mögliche Einschränkungen an den Modellparameterraum untersucht. Die Ergebnisse der Modellierung von B2 1215+30 werden diskutiert und in Zusammenhang mit anderen bekannten hochenergetischen Gammastrahlen-Blazaren gesetzt. / Ground-based gamma-ray astronomy, which provides access to photons in the TeV energy range, has been a rapidly developing discipline over the past decades. In this thesis, the performance of the current- and next-generation imaging atmospheric Cherenkov telescopes VERITAS and CTA is evaluated using Monte Carlo simulations. Special emphasis is given to the possible extension of the duty cycle of CTA. It is shown that an increase of about 30% in observation time can be achieved through operation under partial moonlight without significant losses in performance. The increased observation time is especially important when studying astronomical objects which are variable at very high energies (VHE; E>50 GeV), such as active galactic nuclei (AGN), as this allows the extension of monitoring or multi-wavelength campaigns on these occasionally flaring sources. AGN represent to date about one third of the population of known VHE gamma-ray sources. Most of them are blazars, whose emission is dominated by non-thermal radiation of relativistic jets closely aligned to the line of sight of the observer. The blazar B2 1215+30 has been observed by VERITAS for nearly 100 hours between 2008 and 2012. The data analysis presented in this thesis yields a detection significance of 9.0 sigma and shows long-term variability with a relatively bright flux state in 2011. Multi-wavelength data are used to construct the spectral energy distribution of B2 1215+30 which is well described by a one-zone leptonic model. The model is presented in detail and possible constraints are investigated. The results of the modeling are discussed and put in context with other VHE-detected blazars.

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.