The H.E.S.S. array is a third generation Imaging Atmospheric Cherenkov Telescope (IACT) array. It is located in the Khomas Highland in Namibia, and measures very high energy (VHE) gamma-rays. In Phase I, the array started data taking in 2004 with its four identical 13 m telescopes. Since then, H.E.S.S. has emerged as the most successful IACT experiment to date. Among the almost 150 sources of VHE gamma-ray radiation found so far, even the oldest detection, the Crab Nebula, keeps surprising the scientific community with unexplained phenomena such as the recently discovered very energetic flares of high energy gamma-ray radiation. During its most recent flare, which was detected by the Fermi satellite in March 2013, the Crab Nebula was simultaneously observed with the H.E.S.S. array for six nights. The results of the observations will be discussed in detail during the course of this work. During the nights of the flare, the new 24 m × 32 m H.E.S.S. II telescope was still being commissioned, but participated in the data taking for one night. To be able to reconstruct and analyze the data of the H.E.S.S. Phase II array, the algorithms and software used by the H.E.S.S. Phase I array had to be adapted. The most prominent advanced shower reconstruction technique developed by de Naurois and Rolland, the template-based model analysis, compares real shower images taken by the Cherenkov telescope cameras with shower templates obtained using a semi-analytical model. To find the best fitting image, and, therefore, the relevant parameters that describe the air shower best, a pixel-wise log-likelihood fit is done. The adaptation of this advanced shower reconstruction technique to the heterogeneous H.E.S.S. Phase II array for stereo events (i.e. air showers seen by at least two telescopes of any kind), its performance using MonteCarlo simulations as well as its application to real data will be described. / Das H.E.S.S. Experiment misst sehr hochenergetische Gammastrahlung im Khomas Hochland von Namibia. Es ist ein sogenanntes abbildendes atmosphärisches Cherenkov-Teleskopsystem welches in der 1. Phase, die im Jahr 2004 mit der Datennahme begann, aus vier identischen 13 m Spiegelteleskopen bestand. Seitdem hat sich H.E.S.S. als das erfolgreichstes Experiment in der bodengebundenen Gammastrahlungsastronomie etabliert. Selbst die älteste der mittlerweile fast 150 entdeckten Quellen von sehr hochenergetischer Gammastrahlung, der Krebsnebel, fasziniert immernoch Wissenschaftler mit neuen bisher unbekannten und unerwarteten Phänomenen. Ein Beispiel dafür sind die vor kurzem entdeckten sehr energiereichen Ausbrüche von hochenergetischer Gammastrahlung. Bei dem letzten deratigen Ausbruch des Krebsnebels im März 2013 hat das H.E.S.S. Experiment für sechs Nächte simultan mit dem Fermi-Satelliten, welcher den Ausbruch entdeckte, Daten genommen. Die Analyse der Daten, deren Ergebnis und deren Interpretation werden im Detail in dieser Arbeit vorgestellt. Während dieser Beobachtungen befand sich ein neues 24 m × 32 m großes Spiegelteleskop, das H.E.S.S. II- Teleskop, noch in seiner Inbetriebnahme, trotzdem hat es für eine dieser sechs Nächte an der Datennahme des gesamten Teleskopsystems teilgenommen. Um die Daten rekonstruieren und analysieren zu können, mussten die für die 1. Phase des Experiments entwickelten Algorithmen und die Software des H.E.S.S.- Experiments angepasst werden. Die fortschrittlichste Schauerrekonstruktionsmethode, welche von de Naurois und Rolland entwickelt wurde, basiert auf dem Vergleich von echten Schauerbildern, die mit Hilfe der Cherenkov-Kameras der einzelnen Teleskope aufgenommen wurden, mit Schauerschablonen die mit Hilfe eines semianalytischen Modells erzeugt wurden. Das am besten passende Bild und damit auch alle relevanten Schauerparameter, wird mit Hilfe einer pixelweisen Loglikelihood-Anpassung ermittelt. Die nötigen Änderungen um Multiteleskopereignisse, welche vom heterogenen H.E.S.S. Phase II Detektor gemessen wurden, mit Hilfe dieser fortschrittlichen Schauerrekonstruktionsmethode analysieren zu können, sowie die resultierenden Ergebnisse von MonteCarlo-Simulationen, als auch die Anwendung auf echte Daten, werden im Rahmen dieser Arbeit präsentiert.

In the presented thesis, the most advanced photon reconstruction technique of ground-based γ-ray astronomy is adapted to the H.E.S.S. 28 m telescope. The method is based on a semi-analytical model of electromagnetic particle showers in the atmosphere. The properties of cosmic γ-rays are reconstructed by comparing the camera image of the telescope with the Cherenkov emission that is expected from the shower model. To suppress the dominant background from charged cosmic rays, events are selected based on several criteria. The performance of the analysis is evaluated with simulated events. The method is then applied to two sources that are known to emit γ-rays. The first of these is the Crab Nebula, the standard candle of ground-based γ-ray astronomy. The results of this source confirm the expected performance of the reconstruction method, where the much lower energy threshold compared to H.E.S.S. I is of particular importance. A second analysis is performed on the region around the Galactic Centre. The analysis results emphasise the capabilities of the new telescope to measure γ-rays in an energy range that is interesting for both theoretical and experimental astrophysics. The presented analysis features the lowest energy threshold that has ever been reached in ground-based γ-ray astronomy, opening a new window to the precise measurement of the physical properties of time-variable sources at energies of several tens of GeV. / In der vorliegenden Dissertation wird die zur Zeit sensitivste Methode zur Photonrekonstruktion in der bodengebundenen Gammastrahlungsastronomie an das 28 m H.E.S.S. Teleskop angepasst. Die Analyse basiert auf einem semi-analytischen Modell von elektromagnetischen Teilchenschauern in der Erdatmosphäre. Die Rekonstruktion erfolgt durch den Vergleich des Bildes der Teleskopkamera mit der Tscherenkow-Emission, die mittels des Schauermodells berechnet wurde. Zur Verringerung des dominanten Untergrundes, der hauptsächlich durch Teilchen der geladenen kosmischen Strahlung hervorgerufen wird, werden Ereignisse anhand bestimmter Kriterien ausgewählt. Die Leistungsfähigkeit der Analyse wird unter Verwendung simulierter Ereignisse evaluiert. Die Methode wird anschließend auf zwei Gammastrahlungsquellen angewendet. Zuerst wird der Krebsnebel analysiert, die Standardkerze der bodengebundenen Gammastrahlungsastronomie. Die Resultate der Analyse des Krebsnebels bestätigen die bereits zuvor erwartete Leistungsfähigkeit der Rekonstruktionsmethode, wobei hier insbesondere die im Vergleich zu H.E.S.S. I stark verringerte Energieschwelle hervorzuheben ist. Als Zweites werden Beobachtungen der Region um das galaktische Zentrum ausgewertet. Die Analyseergebnisse dieser Daten unterstreichen die Fähigkeiten des neuen Teleskops zur Messung kosmischer Gammastrahlung in einem für die theoretische und experimentelle Astrophysik interessanten Energiebereich. Die vorgestellte Analyse besitzt die niedrigste Energieschwelle, die in der bodengebundenen Gammastrahlungsastronomie je erreicht wurde. Sie ermöglicht damit präzise Messungen der physikalischen Eigenschaften von zeitabhängigen Quellen im Energiebereich von 10 bis 100 GeV.

Die bodengebundene Gammaastronomie beschäftigt sich mit der Detektion von Photonen mit Energien >10GeV mittels der abbildenden Cherenkov-Technik. Dabei wird die Atmosphäre als Detektor verwendet: Photonen in diesem Energiebereich produzieren in ihr Teilchenschauer, die Cherenkov-Licht aussenden. Das Licht wird von Teleskopen gesammelt um Abbildungen der Schauer zu erhalten, aus denen Eigenschaften der Gammaquanten abgeleitet werden können. Da die Schauer statistischen Prozessen unterliegen, ist die Rekonstruktion der Richtung des Gammaquants durch Fluktuationen begrenzt. Die Qualität der Rekonstruktion hängt von der Energie des Quants, Beobachtungsbedingungen, Teleskop-Eigenschaften und der Rekonstruktionsmethode ab. Die Präzision der Richtungsrekonstruktion einzelner Gammaquanten wird als Winkelauflösung bezeichnet. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Winkelauflösung der vier Teleskope von HESS, die für bodengebundene Gammaastronomie im Energiebereich >100GeV verwendet werden. Es werden systematische Fehler der Winkelauflösungsfunktion und ihre Abhängigkeiten von Beobachtungsparametern mit Beobachtungsdaten und Simulationen abgeschätzt. Abweichungen der simulierten Auflösung von der mit HESS an Hand von Punktquellen gemessenen werden in dieser Arbeit identifiziert und quantifiziert, um mit einer korrigierten Funktion zwei Phänomene zu studieren: Erstens wird die Ausdehnung des Krebsnebels im TeV-Bereich untersucht, für die Werte bis ca. 0.03º vorausgesagt werden. Es werden die Beobachtungen des Nebels selektiert, die eine gute Auflösung und Kontrolle des systematischen Fehlers versprechen. Auf einem Konfidenzniveau von 95% wird die Obergrenze der Ausdehnung des Nebels damit zu 0.034º bestimmt. Zweitens wird nach ausgedehnter Emission um Aktive Galaxienkerne (AGN) gesucht. Verschiedene Modell-Vorhersagen werden mit den HESS-Daten dreier AGN verglichen - die so erzielten Obergrenzen auf den Fluss sind die niedrigsten bisher veröffentlichten im TeV-Bereich. / Very-high-energy (VHE) gamma-ray astronomy deals with the ground-based detection of photons with energies of tens of GeV to few 100 TeV by employing the Imaging Air Cherenkov Technique (IACT). This method uses the atmosphere as a detector for VHE gamma-rays, exploiting that photons in that energy range produce particle showers in it. The showers emit Cherenkov light, which is collected by telescopes to image single showers. Properties of the gamma-rays can be deduced from the shower images. However, the interactions in the atmosphere are statistical processes, imposing a limit on the direction reconstruction. The quality of the reconstruction depends on the energy of the primary particle, telescope properties, observational conditions and reconstruction algorithm. The precision of the direction reconstruction of single photons is called the angular resolution. In this work, the angular resolution function of the IACT experiment HESS is studied in detail. HESS consists of five telescopes, four of which were built for the energy range >100 GeV. For this sub-array, the systematic errors on the angular resolution and their dependence on observation parameters are estimated from known point sources in HESS data and Monte-Carlo simulations. A mismatch between HESS data and simulations is quantified and corrected to assess two phenomena: First, the size of the the Crab Nebula at VHE is investigated. Some models predict a size of the emission region of more than 0.03º. Including a detailed accounting of the systematic errors, an upper limit on the size of emission region of the nebula is given by 0.034º at a 95% confidence level. Second, extended emission around Active Galactiv Nuclei is searched for. Various models are probed with HESS data and the most constraining upper limits on the so-called pair halo scenario are found. Assuming a different model, extra-galactic magnetic field strengths in the range of (0.1 - 10)* 10^{-15} G are excluded at a 99% confidence level.

In dieser Doktorarbeit wurden im Rahmen des MAGIC Experimentes neue Datenanalysemethoden implementiert, die sich insbesondere fuer die Analyse von Ereignissen niedriger Gammastrahlungsenergie eignen. Die Methoden konnten erfolgreich in Monte Carlo Studien getestet und auf Beobachtungsdaten des Krebsnebels und der extragalaktischen Gammastrahlungsquelle PG1553+113 angewandt werden. Diese Methoden reichen von ''image cleaning'' Techniken und der Nutzung neuer Bildparameter bis zu fortgeschrittenen g/h-Separations- und Energieabschaetzungsverfahren. Zum ersten Mal wurden die Vorteile von Klassifikations- und Regressionsbaeumen in der Gamma-Astrophysik ausgenutzt, um existierende klassische Methoden zu verbessern. Die Analyse - getestet an Monte Carlo Daten - bewies ihre Zuverlaessigkeit bei der Untersuchung der Gammastrahlungsemission des Krebsnebels, wobei ein hochsignifikanter Exzess im Energiebereich unterhalb 100 GeV in nur 1.7 h nachgewiesen werden konnte. Die Analyse von Daten des BL Lac Objekts PG1553+113 ergab signifikante Exzesse fuer Beobachtungen in den Jahren 2005 und 2006. Das kombinierte alpha-Histogramm zeigt ein Signal mit einer Signifikanz, die 8 sigma ueberschreitet. Bei der weiteren Analyse konnte ein differentielles Energiespektrum fuer die kombinierten Daten aus den Jahren 2005 und 2006 erstellt werden. Der integrale Fluss oberhalb von 200 GeV wurde wie folgt bestimmt: F(> 200 GeV) = (1.7+-0.3) 10^(-12)/(cm^2 s), der spektrale Index betraegt Gamma = 3.6+-0.3. Dieses Spektrum konnte daraufhin verwendet werden, um die (unbekannte) Rotverschiebung von PG1553+113 auf z / In this thesis new data analysis methods for the MAGIC experiment were implemented, which are especially suited for the investigation of low energy gamma-ray events. They were successfully tested by means of Monte Carlo studies and applied to observational data of the Crab Nebula and of the extragalactic gamma-ray source PG1553+113. These methods extend from image cleaning techniques and the utilization of new image parameters to sophisticated g/h-separation and energy estimation approaches. For the first time in gamma-ray astrophysics the advantages of classification and regression trees were exploited in order to improve existing `classical'' methods. The analysis procedure - tested on Monte Carlo data - was demonstrated to be reliable in the investigation of the Crab Nebula gamma-ray emission yielding a significant excess in the energy range below 100 GeV in only 1.7 h observation time. The analysis of data taken on the BL Lac PG1553+113 yielded significant excesses for both years 2005 and 2006. The combined alpha histogram shows a signal in excess of 8 sigma. In the further analysis a spectrum could be derived for the combined data sets of 2005 and 2006. The integral flux above 200 GeV could be derived as F(> 200 GeV) = (1.7+-0.3) 10^(-12)/(cm^2 s), the power-law index was measured to be Gamma = 3.6+-0.3. This spectrum was used to constrain the redshift z of PG1553+113 with the result z