Diese Arbeit beschreibt die Entdeckung von hochenergetischer Gammastrahlung aus Richtung des Binaersystems PSR B1259-63 / SS 2883. Die Beobachtungen dieses Systems von einem Radio-Pulsar, der sich auf einer stark exzentrischen Umlaufbahn um einen schweren und hellen Stern befindet, wurden mit dem High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.), einem System von abbildenden atmosphaerischen Cherenkov-Teleskopen, in der ersten Haelfte des Jahres 2004 durchgefuehrt. Kosmische Gammastrahlen im Energiebereich zwischen 0.1 und 100 TeV erzeugen in der oberen Atmosphaere Luftschauer von relativistischen Sekundaerteilchen, deren Cherenkov-Emission von den Teleskopen des Systems nachgewiesen werden kann. Vor der Entdeckung von TeV-Gammastrahlung aus Richtung von PSR B1259-63 galt dieses System als ein aussichtsreicher Kandidat fuer die Beschleunigung von geladenen Teilchen auf Energien oberhalb von 1 TeV. Es wurde angenommen, dass die Wechselwirkung des relativistischen Pulsarwindes mit dem Sternenwind des Begleitsterns massive Plasmaschocks erzeugt, in denen die Beschleunigung erfolgt. Durch die H.E.S.S. Beobachtungen wurde ein Signal von Photonen im TeV-Bereich mit einer statistischen Signifikanz von ueber 13 sigma gemessen und somit wurde die Beschleunigung von Teilchen auf TeV-Energien innerhalb des Binaersystems erstmalig zweifelsfrei nachgewiesen. Das gemessene Energiespektrum kann im zeitlichen Mittel mit einem Potenzgesetz mit dem Photonenindex 2.7 +- 0.3 beschrieben werden. Diese Form des Spektrums weist auf eine Erzeugung der Gammastrahlung durch inverse Compton-Streuung von schock-beschleunigten Elektronen und Positronen mit den Photonen der thermischen Strahlung von SS 2883 hin. Die gemessene Variation des Flusses der Gammastrahlung auf einer Zeitskala von Tagen ist bisher einmalig fuer eine galaktische Quelle von TeV Photonen und ermoeglicht erstmalig Einblicke in die Dynamik der Wechselwirkung eines Pulsarwindes mit einer sich aendernden Umgebung. / This work reports on the discovery of very high energy (VHE) gamma-ray emission of the binary system PSR B1259-63 / SS 2883, consisting of a radio pulsar orbiting a massive, luminous star in a highly eccentric orbit. The observations of the binary system in the first half of 2004 were performed with the High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.), a system of imaging atmospheric Cherenkov telescopes, recently installed in Namibia and in full operation since December 2003. The instrument collects the Cherenkov light emitted by air showers which are induced by the interaction of cosmic gamma-rays with the upper atmosphere. This technique allows to detect gamma-rays with energies ranging from 10^11 to 10^14 electron Volts, and to reconstruct their direction and energy with an angular resolution of less than 0.1° and energy resolution of better than 20%, respectively. Prior to the detection of VHE gamma-rays from PSR B1259-63, the system served as a candidate for the acceleration of particles to TeV energies. The acceleration is believed to take place in plasma shocks produced by the interaction of the relativistic pulsar wind with the massive stellar winds of the companion star. The VHE gamma-ray signal from the binary system was detected with a total significance above 13 sigma. This detection provides the first unambiguous evidence for particle acceleration to multi-TeV energies in this binary system. The measured time-averaged energy spectrum can be described by a power law with a photon index 2.7 +- 0.3 suggesting that the emission is produced by inverse Compton scattering of shock-accelerated electrons and positrons on the thermal photons emitted by SS 2883. The gamma-ray flux was found to vary significantly on timescales of days which makes PSR B1259-63 the first variable galactic source of VHE gamma-rays observed so far and gives valuable insights into the dynamics of pulsar winds interacting with a changing environment.

PSR B1259-63 ist ein Binärsystem in welchem ein Pulsar um einen massereichen Be-Stern kreist. Dieses System weist variable, nicht thermische Strahlung um den Periastron herum auf, welche vom Radiobereich bis zu sehr hohen Energien (engl. very-high-energy VHE; E > 100 GeV) sichtbar ist. Die vorliegende Dissertation präsentiert VHE Daten des Systems, gemessen in den Jahren 2005, 2006 b.z.w. vor und kurz nach dem Periastron im Jahr 2007. Diese Daten erweitern das Wissen um die Lichtkurve dieses Objektes über alle Phasen der Umlaufbahn. Diese Daten wurden mit den H.E.S.S. Teleskopen gewonnen. Gamma-Strahlung in einem Energiebereich von 0.5-70 TeV wurde gemessen. Von PSR B1259-63 wurde, unter Verwendung von 55 h Detektorzeit im Jahr 2007, VHE Strahlung mit einer Gesamtsignifikanz von 9.5 Sigma detektiert. Der monatliche Photonen-Fluss wurde vermessen was erstmals zu VHE Lichtkurvendaten noch weit vor dem Periastron führte. PSR B1259-63 wurde auch in den Jahren 2005 und 2006, weit weg vom Periastron, ueberwacht. Hierbei war kein signifikanter Ueberschuss an gamma-Strahlung über Untergrund zu verzeichnen. Die signifikante Detektion von VHE Photonen, die bei einer wahren Anomalie von -0.35 , also bereits 50 Tage vor dem Periastron, ausgesendet wurden, schliesst ein Szenario mit stellarer Scheibe als Zielmaterial für hadronische Wechselwirkungen als Hauptemissionsmechanismus eher aus. Weiters konnten innerhalb einer phänomenologischen Studie Hinweise gefunden werden, dass PSR B1259-63 ein periodischer VHE Strahler ist. Darüber hinaus wurden Modellrechnungen, die auf inverser Comptonstreuung (IC) von schockbeschleunigten Pulsarwindelektronen basieren, durchgeführt. Das dargestellte Modell berücksichtigt strahlungsfreie Verluste, die möglicherweise im Bereich, in dem der Pulsarwind terminiert wird, eine Rolle spielen. Die gefundenen Ergebnisse zeigen ein eigentümliches nicht radiatives Kühlverhalten um den Periastron, das die VHE Emission in PSR B1259-63 dominiert. / PSR B1259-63 is a binary system where a 48 ms pulsar orbits a massive Be star. The system exhibits variable, non-thermal radiation around periastron visible from radio to very high energies (VHE; E>100 GeV). This thesis presents VHE data from PSR B1259-63 as taken during the years 2005, 2006 and before as well as shortly after the 2007 periastron passage. These data extend the knowledge of the lightcurve of this object to all phases of the binary orbit. Observations of VHE gamma-rays with the H.E.S.S. telescope array were performed. Gamma-ray events in an energy range of 0.5-70 TeV were recorded. VHE gamma-ray emission from PSR B1259-63 was detected with an overall significance of 9.5 standard deviations using 55 h of exposure, obtained in 2007. The monthly flux of gamma-rays during the observation period was measured, yielding VHE lightcurve data for the early pre-periastron phase of the system for the first time. PSR B1259-63 was also monitored in 2005 and 2006, far from periastron passage, comprising 8.9 h and 7.5 h of exposure, respectively. No significant excess of gamma-rays is seen in those observations. The firm detection of VHE photons emitted at a true anomaly of -0.35 of the pulsar orbit, i.e. already ~50 days prior to the periastron passage, disfavors the stellar disc target scenario as a primary emission mechanism, based on current knowledge about the companion star''s disc inclination, extension, and density profile. In a phenomenological study indirect evidence that PSR B1259-63 could in fact be a periodical VHE emitter is presented using the TeV data discussed in this work. Moreover, model calculations based on inverse compton (IC) scattering of shock accelerated pulsar wind electrons were performed. The model presented accounts for non-radiative losses possibly at work in the region where the pulsar wind is shocked by stellar outflows. The presented results show a peculiar non-radiative cooling profile around periastron dominating the VHE emission.

En astronomie gamma, les systèmes binaires sont des objets stellaires impliquant une étoile massive et un objet compact, le plus léger des deux en orbite autour de l’autre. Ils émettent de façon régulière à haute et très haute énergie (E > 100 GeV) et peuvent être détectés par le réseau de télescopes H.E.S.S.. Malgré leur faible nombre, ils présentent une grande diversité de comportement et sont caractérisés par une modulation de flux dépendant de la position de l’objet compact. 2 systèmes binaires sont étudiés : LS 5039 et PSR B1259–63, en effet un jeu de données conséquent est disponible puisque ces sources sont observées maintenant depuis plus de 10 ans. En 2012, le cinquième télescope de plus grande taille a commencé ses observations et permet ainsi de faire la connexion avec le domaine du GeV.Une modélisation de ces deux systèmes binaires dans le cas d’une diffusion anisotrope inverse Compton dans le régime de Klein–Nishina sera aussi proposée avec une prise en compte du disque circumstellaire pour PSR B1259¡63. Les données recueillies lors d’une observation peuvent être détériorées par une atmosphère dégradée, affectant ainsi le flux de photons ° collectés. Un coefficient traduisant la qualité de l’atmosphère est donc nécessaire. De plus les gerbes peuvent être déformées à cause de laprésence du champ magnétique terrestre, les études de ces phénomènes sont donc nécessaires pour essayer de corriger ces effets. / Binary systems in gamma astronomy are stellar objects involving a massive star with a compact object, the lightest in orbit around the other. They emit regularly at high energy and very high energy (E > 100 GeV) for detection by H.E.S.S. telescopes. Despite their low relative number, they are all characterized by a modulation of gamma photon flux which depends on the position of the lightest object. We will focus more on 2 binary systems : LS 5039 and PSR B1259–63, we have a susbstantial data, H.E.S.S. telescopes have regularly observed these objects for more than 10 years. In 2012, a fifth telescope much larger size, began observations and enables to get events at lower energy and then make the connection with other experiments such as Fermi-LAT. A modelling of these two binary systems in anisotropic inverse Compton in Klein–Nishina regime are also presented and the circumstellar disk is taken into account for PSR B1259–63. Data taken by theH.E.S.S. telescopes can be improved. During observations, atmosphere can be degraded and thus affecting the flux of gamma photons collected. It’s therefore important to know the transparency coefficient of the atmosphere during an analysis. Furthermore, the electromagnetic air showers are more distorted because of the Earth’s magnetic field, a study of these phenomenas is necessary to correct these effects.

Cherenkov-Teleskope sind in der Lage, das schwache Cherenkovlicht aus Teilchenschauern zu detektieren, die von kosmischen Teilchen mit Energien von ca. 100 GeV bis 100 TeV in der Erdatmosphäre initiiert werden. Das Ziel ist die Detektion von Cherenkovlicht aus Schauern, die von Gammastrahlen erzeugt wurden, der größte Teil der Schauer stammt jedoch von geladenen Teilchen. Im Jahr 2012 wurde das H.E.S.S.-Observatorium in Namibia, bis dahin bestehend aus vier Teleskopen mit 100 m²-Spiegeln, um ein fünftes Teleskop mit einer Spiegelfläche von ca. 600 m² ergänzt. Aufgrund der großen Spiegelfläche besitzt dieses Teleskop die niedrigste Energieschwelle aller Teleskope dieser Art. In dieser Dissertation wird ein schneller Algorithmus namens MonoReco präsentiert, der grundlegende Eigenschaften der Gammastrahlen wie ihre Energien und Richtungen rekonstruieren kann. Dieser Algorithmus kann weiterhin unterscheiden, ob Schauer von Gammastrahlen oder von geladenen Teilchen der kosmischen Strahlung initiiert wurden. Diese Aufgaben werden mit mithilfe von künstlichen neuronalen Netzwerken erfüllt, welche ausschließlich die Momente der Intensitätsverteilungen in der Kamera des neuen Teleskops analysieren. Eine Energieschwelle von 59 GeV und Richtungsauflösungen von 0.1°-0.3° werden erreicht. Das Energiebias liegt bei wenigen Prozent, die Energieauflösung bei 20-30%. Unter anderem mit dem MonoReco-Algorithmus wurden Daten, die in der Zeit um das Periastron des Binärsystems PSR B1259-63/LS 2883 im Jahre 2014 genommen wurden, analysiert. Es handelt sich hierbei um einen Neutronenstern, der sich in einem 3,4-Jahres-Orbit um einen massereichen Stern mit einer den Stern umgebenden Scheibe aus Gas und Plasmen befindet. Zum ersten Mal konnte H.E.S.S. das Gammastrahlenspektrum dieses Systems bei Energien unterhalb von 200 GeV messen. Weiterhin wurde bei erstmaligen Beobachtungen zur Zeit des Periastrons ein lokales Flussminimum gemessen. Sowohl vor dem ersten als auch nach dem zweiten Transit des Neutronensterns durch die Scheibe wurden hohe Flüsse gemessen. Im zweiten Fall wurden Beobachtungen erstmals zeitgleich mit dem Fermi-LAT-Experiment durchgeführt, das wiederholt sehr hohe Flüsse in diesem Teil des Orbits messen konnte. Ein Vergleich der gemessenen Flüsse mit Vorhersagen eines leptonischen Modells zeigt gute Übereinstimmungen. / Cherenkov telescopes can detect the faint Cherenkov light emitted by air showers that were initiated by cosmic particles with energies between approximately 100 GeV and 100 TeV in the Earth's atmosphere. Aiming for the detection of Cherenkov light emitted by gamma ray-initiated air showers, the vast majority of all detected showers are initiated by charged cosmic rays. In 2012 the H.E.S.S. observatory, until then comprising four telescopes with 100 m² mirrors each, was extended by adding a much larger fifth telescope with a very large mirror area of 600 m². Due to the large mirror area, this telescope has the lowest energy threshold of all telescopes of this kind. In this dissertation, a fast algorithm called MonoReco is presented that can reconstruct fundamental properties of the primary gamma rays like their direction or their energy. Furthermore, this algorithm can distinguish between air showers initiated either by gamma rays or by charged cosmic rays. Those tasks are accomplished with the help of artificial neural networks, which analyse moments of the intensity distributions in the camera of the new telescope exclusively. The energy threshold is 59 GeV and angular resolutions of 0.1°-0.3° are achieved. The energy reconstruction bias is at the level of a few percent, the energy resolution is at the level of 20-30%. Data taken around the 2014 periastron passage of the gamma-ray binary PSR B1259-63/LS 2883 were analysed with, among others, the MonoReco algorithm. This binary system comprises a neutron star in a 3.4 year orbit around a massive star with a circumstellar disk consisting of gas and plasma. For the first time the gamma-ray spectrum of this system could be measured by H.E.S.S. down to below 200 GeV. Furthermore, a local flux minimum could be measured during unprecedented measurements at the time of periastron. High fluxes were measured both before the first and after the second transit of the neutron star through the disk. In the second case measurements could be performed for the first time contemporaneously with the Fermi-LAT experiment, which has repeatedly detected very high fluxes at this part of the orbit. A good agreement between measured fluxes and predictions of a leptonic model is found.