Das Energiespektrum der kosmischen Strahlung bietet wichtige Hinweise auf ihren Ursprung und ihre Ausbreitung. Verschiedene Messtechniken müssen kombiniert werden, um den ganzen Energiebereich abdecken zu können: Direkte Messungen mit Teilchendetektoren bei niedrigen Energien sowie indirekte Messungen von Luftschauern bei hohen Energien. Dazu kommt die Messung von Photonen, hauptsächlich im GeV- und TeV-Bereich, die bei der Wechselwirkung von kosmischer Strahlung mit Materie oder elektromagnetischen Feldern entstehen. Im Folgenden werde ich zwei Studien dazu vorstellen, die beide auf Daten des abbildenden Tscherenkow-Teleskopes VERITAS beruhen. Erstens stelle ich eine Messung das Energiespektrums von Eisenkernen in der kosmischen Strahlung vor. Für die Bestimmung der Energie und Ankunftsrichtung der Primärteilchen benutze ich eine neuartige Template-Likelihood-Methode, die hier erstmals auf Eisenschauer angewendet wird. Zur Identifizierung der Eisenschauer benutze ich unter anderem das sogenannte direkte Tscherenkow-Licht, welches von geladenen Teilchen vor der ersten Wechselwirkung ausgestrahlt wird. Dazu kommt eine multivariate Klassifizierungsmethode, um den Verbleibenden Untergrund zu charakterisieren. Das so gemessene Energiespektrum von Eisen wird im Bereich von 20 TeV bis 500 TeV gut durch ein Potenzgesetz beschrieben. Zweitens beschreibe ich eine Suche nach Gammastrahlung oberhalb von 100 GeV von den drei Galaxien Arp 220, IRAS 17208-0014 und IC 342. Diese drei Galaxien haben hohe Sternentstehungsraten und daher viele Supernova-Überreste, welche kosmische Strahlung erzeugen. Diese wechselwirkt erwartungshalber mit den dichten Staubwolken in den Sternentstehungsgebieten und erzeugt Gammastrahlung. VERITAS konnte keine solche Gammastrahlung messen. Die daraus abgeleitete Höchstgrenze für die Luminosität schränkt theoretische Modelle der Erzeugung und Propagation von kosmischer Strahlung in der Galaxie Arp 220 ein. / The energy spectrum of cosmic rays can provide important clues as to their origin and propagation. Different experimental techniques have to be combined to cover the full energy range: Direct detection experiments at lower energies and indirect detection via air showers at higher energies. In addition to detecting cosmic rays at Earth, we can also study them via the electromagnetic radiation, in particular gamma rays, that they emit in interactions with gas, dust, and electromagnetic fields near the acceleration regions or in interstellar space. In the following I will present two studies, both using data taken by the imaging air Cherenkov telescope (IACT) VERITAS. First, I present a measurement of the cosmic ray iron energy spectrum. I use a novel template likelihood method to reconstruct the primary energy and arrival direction, which is for the first time adapted for the use with iron-induced showers. I further use the presence of direct Cherenkov light emitted by charged primary particles before the first interaction to identify iron-induced showers, and a multi-variate classifier to measure the remaining background contribution. The energy spectrum of iron nuclei is well described by a power law in the energy range of 20 to 500 TeV. Second, I present a search for gamma-ray emission above 100 GeV from the three star-forming galaxies Arp 220, IRAS 17208-0014, and IC342. Galaxies with high star formation rates contain many young and middle-aged supernova remnants, which accelerate cosmic rays. These cosmic rays are expected to interact with the dense interstellar medium in the star-forming regions to emit gamma-ray photons up to very high energies. No gamma-ray emission is detected from the studied objects and the resulting limits begin to constrain theoretical models of the cosmic ray acceleration and propagation in Arp 220.

Zeitabhängige Multimessenger-Astronomie ist die Studie von vorübergehenden astrophysikalischen Phänomenen mithilfe verschiedener Botschafterteilchen und -wellen. Das High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.) ist ein bodengestütztes Teleskop-Array, das Gammastrahlen im Bereich von 30 GeV bis 100 TeV misst. In dieser Arbeit werden drei H.E.S.S.-Programme zur Nachverfolgung von vorübergehenden Phänomenen diskutiert. Zuerst wird das Nova-Programm vorgestellt, zusammen mit der Entdeckung des Ausbruchs von RS Ophiuchi (RS Oph) im Jahr 2021. RS Oph ist eine Nova, welche schon mehrmals ausgebrochen ist. Die Analyse der Nova, zeigt eine klare Detektion über die ersten fünf Nächte sowie eine marginale Detektion bis zu vier Wochen nach dem Ausbruch. RS Oph ist damit das erste galaktische vorübergehende Phänomen, das bei Energien von ~1 TeV detektiert wurde. Eine klare Variabilität des Spektrums wird gezeigt. Eine Diskussion zeigt, dass die beobachteten Gammastrahlen höchstwahrscheinlich durch beschleunigte Protonen innerhalb eines astrophysikalischen Schocks stammt. Die Ergebnisse zeigen eine zeitaufgelöster Teilchenbeschleunigung. Das zweite Programm ist das Gravitationswellen (GW)-Programm. Hier wird die Analyse von vier beobachteten Verschmelzungsereignissen von binären schwarzen Löchern vorgestellt. Es wird keine Detektion gemeldet, stattdessen werden Himmelskarten mit Höchstgrenzen produziert. Die Effektivität der GW-Nachverfolgung mit H.E.S.S. wird diskutiert. Das dritte Programm ist das Pionierprogramm für Gezeiten-Sternzerrissereignisse (TDEs), das in den letzten Jahren etabliert wurde. Herausforderungen des Programms werden diskutiert, und die H.E.S.S.-Nachverfolgung des Ereignisses AT2019uqv wird vorgestellt. Es werden keine Detektionen gemeldet, stattdessen werden obere Grenzen für AT2019uqv angegeben. Abschließend erfolgt ein Vergleich der Programme sowie ein Ausblick auf das nächste Jahrzehnt bodengestützter Gammastrahlenbeobachtungen. / Time-domain multi-messenger astronomy is the study of transient astrophysical phenomena using several messenger particles and waves. The High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.) is a ground-based telescope array, which measures very-high-energy gamma rays between 30 GeV and 100 TeV. Within this work, three H.E.S.S. transients follow-up programs and their results are shown. At first, the nova program is shown together with the detection of the 2021 RS Ophiuchi (RS Oph) outburst. RS Oph is a known nova with past eruptions. The analysis of the nova presented in this work shows a clear detection over the first five nights of observations, and a marginal detection two to four weeks after the eruption. RS Oph is thus the first Galactic transient phenomenon detected at ~1 TeV energies. A clear variability of the spectrum is shown. A discussion of the underlying physics concludes, that the observed gamma-ray emission most likely stems from cooled protons accelerated within an astrophysical shock. The results show time-resolved particle acceleration. The second program is the gravitational-waves (GWs) program. Here, the analysis of four observed binary black hole merger events is shown. No detection is reported, and upper limit sky maps are derived instead. The viability of GW follow-up with H.E.S.S. is discussed, and a case is made for a potential counterpart detection. The third program is the tidal disruption event (TDE) program, a pioneered program established at the emergence of the source class within the last few years. Unique challenges of the follow-up program are discussed, and the H.E.S.S. follow-up of the event AT2019uqv is shown. No detection is reported, and upper limits for AT2019uqv are given instead. The interest in follow-up observations of TDEs with gamma-ray instruments is stressed. In conclusion, a comparison of the different programs and their requirements is given, together with an outlook for the next decade of ground-based gamma-ray observations.