Diese Arbeit beschreibt die Suche nach hochenergetischen kosmischen Neutrinos mit dem AMANDA-B10 Detektor. Das Antarctic Muon and Neutrinos Detection Array - AMANDA - ist ein Experiment zum Nachweis hochenergetischer Neutrinos. Es besteht aus einem Gitter optischer Detektoren, die in den antarktischen Gletscher eingeschmolzen wurden. Hochenergetische Myonneutrinos können anhand aufwärts laufender Myonspuren identifiziert werden. Nur Neutrinos reagieren ausschließlich durch die schwache Wechselwirkung, was sie zur einzigen Teilchensorte macht, die die ganze Erde durchlaufen kann. Aufwärtslaufende Spuren sind daher eine klare Signatur für neutrinoinduzierte Ereignisse. Die Richtung der Myonen kann anhand des abgestrahlten Cherenkovlichtes rekonstruiert werden. Für Neutrinoenergien oberhalb einiger hundert GeV behält das Myon die Richtung des Neutrinos im wesentlichen bei. Aus der Richtung des Myons kann daher auf die Richtung des Neutrinos geschlossen werden. Das erlaubt die Identifikation von Quellen. Die häufigste Klasse von Untergrundereignissen sind abwärtslaufende Spuren von Myonen, die durch kosmische Strahlen in der Erdatmosphäre erzeugt werden. Damit ist der wichtigste Selektionsparameter der rekonstruierte Zenithwinkel. Ein weitere Klasse von Untergrundereignissen für die Beobachtung kosmische Neutrinos sind aufwärtslaufende Myonspuren von sogenannten atmosphärischen Neutrinos. Das sind Neutrinos, die von der kosmischen Strahlung in der Atmosphäre der Nordhalbkugel erzeugt werden, die Erde durchlaufen und als aufwärtslaufende Spuren die gleiche Signatur haben wie kosmische Neutrinos. Im Falle von Punktquellen ist die Identifikation kosmischer Neutrinos über die Häufung von Neutrinos aus einer bestimmten Richtung möglich. Eine weitere Möglichkeit, kosmische Neutrinos von atmosphärischen Neutrinos zu unterscheiden, ist die Energieverteilung: atmosphärische Neutrinos haben ein Energiespektrum mit einem spektralen Index von ungefähr -3.7, während für kosmische Neutrinos ein Spektrum mit einem spektralen Index von -2 erwartet wird. Die Signatur kosmischer Neutrinos ist daher ein Überschuß von hochenergetischen Ereignissen. Zur Selektion dieser Ereignisse ist ein Energieparameter notwendig. Das Thema dieser Arbeit ist die Suche nach einem diffusen Fluß hochenergetischer kosmischer Neutrinos, als die Überlagerung der Flüsse von vielen, für sich genommen nicht nachweisbaren Quellen. Zum Nachweis der Funktionsfähigkeit des Detektors wurde zuerst die Separation von atmosphärischen Neutrinos mitentwickelt. Die erhaltenen Kandidaten wurden auf einen Überschuß hochenergetischer Neutrinos untersucht. Dazu wurde die Methode zur Energierekonstruktion, die für den Baikal-Detektor entwickelt wurde, an die optischen Eigenschaften von Eis angepaßt. Eine Analyse der Fehlerbeiträge ergab jedoch, daß stochastische Fluktuationen der Energie- und damit Lichtdeposition die Energieauflösung begrenzen. Die Suche nach alternativen energieabhängigen Selektionsparametern ergab die Anzahl der getroffen Kanäle als effektiven Selektionsparameter für hochenergetische Ereignisse. Mit diesem Parameter konnte die Sensitivität des Detektors für hochenergetische Ereignisse abgeschätzt werden. Eine detaillierte Analyse ergab jedoch systematische Abweichungen zwischen Daten und Monte Carlo. Als Konsequenz wurde ein separater Filter für hochenergetische Ereignisse entwickelt. Mit Separationsschnitten auf nur fünf Parameter konnten die Daten auf weniger als ein Prozent reduziert werden. Die abschließenden Schnitte wurden mit einem Optimierungsprogramm entwickelt. Zur Optimierung der Sensitivität wurde eine Vielfalt von Parametern verglichen. Ein Satz besonders hochenergetischer Ereignisse konnte selektiert werden. Die Zahl und Verteilung der Ereignisse ist konsistent mit der Erwartung für atmosphärische Neutrinoereignisse. Ein Überschuß von Ereignissen hoher Energie wurde nicht beobachtet. Nach einem letzten Schnitt auf die Anzahl der getroffenen Kanäle als Energieparameter ließ sich daher eine obere Grenze für den Fluß hochenergetischer kosmischer Neutrinos ableiten. Unter der generischen Annahme eines E_nu^-2-Spektrums ergibt sich eine Grenze für Energien zwischen 5 * 10^3 GeV und 1 * 10^6 GeV von E^2 * (d Phi_(nu + nubar) / dE_nu )_(90% C.L.) / High energy neutrinos are a possible probe for cosmic acceleration mechanisms. Using data taken with the AMANDA-B10 detector in 1997 an upper limit of E^2 (d Phi / dE) < 1.0 * 10^-6 cm^-2 s^-1 sr^-1 GeV on the flux of cosmic neutrinos with energies between 5 TeV and 1 PeV was obtained.

Abbildende Cherenkov-Teleskope haben in den letzten Jahren eine groẞe Anzahl neuer Gammastrahlungsquellen im Bereich sehr hoher Energien (VHE, very high energy, E>100 GeV) entdeckt. Diese Studie behandelt Vertreter von drei unterschiedlichen Klassen von galaktischen Gammastrahlungsquellen: die Supernova-Überreste G1.9+0.3 und G330.2+1.0, den Pulsarwind-Nebel HESS J1303-631 und das Binärsystem PSR B1259-63/LS 2883. Für alle Objekte werden die Analyse der H.E.S.S.-Daten und die Modellierung der Emission unter Einbeziehung von Daten aus anderen Wellenlängenbereichen dargestellt. / Recently, imaging atmospheric Cherenkov telescopes have discovered numerous new sources representing various source classes in the very high energy (VHE; E>100 GeV) sky. This work presents studies of representatives of three types of Galactic VHE emitters: the Supernova remnants G1.9+0.3 and G330.2+1.0, the pulsar wind nebula HESS J1303-631 and the binary system PSR B1259-63/LS 2883. The analysis of the H.E.S.S. data and the broadband emission modeling are presented.

HESS J1741−302 ist eine nicht identifizierte Quelle sehr hochenergetischer Gammastrahlen, welche circa 1,7 Grad vom Zentrum der Milchstraße entfernt liegt. Diese Quelle ist eines der schwächsten Objekte im TeV-Bereich mit einem Photonfluss von Φ(>1 TeV) = (1.65 ± 0.28stat ± 0.33sys) × 10^−13 cm^−2 s^−1, was ~1% des Krebsnebelflusses im gleichen Energiebereich entspricht. Die Analyse des aktuellen H.E.S.S. Datensatzes von 145 Stunden Beobachtungen mit hoher Qualität gibt Einblicke in die Morphologie von HESS J1741−302. Das Energiespektrum von HESS J1741−302 geht über 10 TeV hinaus, ohne dabei ein klares Anzeichen für einen spektralen Abbruch zu zeigen. Das Spektrum kann durch ein Potenzgesetz mit einem spektralen Index von Γ = 2.28 ± 0.16stat ± 0.20sys und einer Normierung bei 1 TeV von Φ0 = (2.12 ± 0.42stat ± 0.42sys) × 10^−13 cm^−2 s^−1 TeV^−1 beschrieben werden. In der vorliegenden Arbeit werden verschiedene Szenarien für die beobachtete Gammastrahlung und deren Entstehung in Betracht gezogen. Diese beinhalten die Wechselwirkung von Protonen der kosmischen Strahlung mit Molekülwolken entlang der Sichtlinie, IC Streuung an Infrarot-Photonen eines nahe gelegenen OH/IR Sterns und die Präsenz eines Pulsarwindnebels, welcher möglicherweise zu PSR B1737−30 gehört. / HESS J1741−302 is an unidentified very-high-energy (VHE) γ-ray source located in the Galactic Plane at about 1.7° away from the Galactic Center. It is one of the faintest TeV objects detected so far, with a flux Φ(>1 TeV) = (1.65 ± 0.28stat ± 0.33sys) × 10^−13 cm^−2 s^−1 corresponding to ~ 1% of the Crab Nebula flux at the same energies. The data analysis of an updated high-quality dataset of ~145 hours of VHE H.E.S.S. data taken between 2004 and 2013 has revealed the morphology of HESS J1741−302. The γ-ray spectrum of HESS J1741−302 extends beyond 10 TeV without showing any clear evidence of a cut-off. The source spectrum is well described by a power-law model with a spectral index of Γ = 2.28 ± 0.16stat ± 0.20sys and a normalization at 1 TeV of Φ0 = (2.12 ± 0.42stat ± 0.42sys) × 10^−13 cm^−2 s^−1 TeV^−1. Different scenarios will be considered in this thesis, including the interaction of cosmic-ray protons with molecular clouds found along the line of sight, inverse Compton scattering of infra-red photons provided by a nearby OH/IR star and the presence of a nearby pulsar wind nebula possibly related to PSR B1737−30, in order to explain the observed VHE gamma-ray emission.

Der Ursprung ultra-hochenergetischer kosmischer Strahlung (UHECRs) ist eine der wichtigsten offenen Fragen der Astrophysik. Gammastrahlenblitze (GRBs) galten als potentielle Quellen, da sie zu den energetischsten Ereignissen im Universum zählen. Konventionelle Szenarien sind jedoch durch Neutrinodaten stark eingeschränkt. Außerdem weisen Messungen der chemischen Zusammensetzung kosmischer Strahlen auf schwere Kerne hin, welche in zu dichten Strahlungsfeldern disintegrieren würden. Um dieses Dilemma zu umgehen deuten neue Studien auf versteckte Beschleuniger hin, welche schwer zu detektieren sind. In dieser Dissertation präsentieren wir neue Ansätze um nukleare Prozesse in astrophysikalischen Quellen effizient und selbstkonsistent zu berechnen. Wir quantifizieren diese Wechselwirkungen anhand der nuklearen Kaskade, welche die Disintegration schwerer Kerne in leichtere Fragmente beschreibt. Auch in umfassenden Modellen, wie sie in dieser Arbeit entwickelt werden, sind GRBs durch Neutrinodaten unter Druck. Dennoch zeigen wir, dass eine Population von GRBs niedriger Luminosität konsistent mit derzeitigen Messungen ist und zugleich auch das Spektrum und die Zusammensetzung kosmischer Strahlung über den Knöchel hinweg sowie Neutrinodaten beschreiben kann. Aus unserer Prozedur können wir zusätzlich weitere Quelleneigenschaften wie die baryonische Ladung oder die Ereignisrate bestimmen. Wir zeigen weiter, dass auch von schwarzen Löchern zerrissene Sterne mögliche Kandidaten eines gemeinsamen Ursprungs der gemessenen kosmischen Strahlung und PeV-Neutrinos sind. Sie können jedoch durch kosmogenische Neutrinos von LLGRBs abgegrenzt werden. Schließlich wenden wir unser Modell auf das Gravitationswellenereignis GW170817 an. Wir zeigen für verschiedene Jet-Szenarien, dass der erwartete Neutrinofluss weit unter der Sensitivität derzeitiger Instrumente liegt. Dennoch könnten verschmelzende Neutronensterne die kosmische Strahlung unterhalb des Knöchels erklären. / The origin of Ultra-High Energy Cosmic Rays (UHECRs) is still one of the most important open questions in astrophysics. Gamma-Ray Bursts (GRBs) were considered as potential sources as they are among the most energetic events known in the Universe. However, conventional GRB scenarios are strongly constrained by astrophysical neutrino data. In addition, cosmic ray composition measurements indicate the presence of heavy nuclei, which would disintegrate if the radiation fields in the source were too dense. In order to circumvent this dilemma, recent studies point towards hidden accelerators, which are intrinsically hard to detect. In this dissertation, we present novel approaches to efficiently and self-consistently calculate the nuclear processes in astrophysical sources. We quantify these interactions by means of the nuclear cascade, which describes the subsequent disintegration of heavy nuclei into lighter fragments. Even in sophisticated source-propagation models, as the ones developed in this thesis, conventional GRBs are in tension with neutrino data. However, we demonstrate that a population of low-luminosity GRBs is not only consistent with current constraints, but can even describe the UHECR spectrum and composition across the ankle as well as neutrino data simultaneously. From our fitting procedure we can further constrain certain source properties, such as the baryonic loading and the event rate. Furthermore, we show that stars disrupted by black holes are viable candidates for a simultaneous description of cosmic ray and PeV neutrino data too. However, they can be discriminated from LLGRBs by cosmogenic neutrinos. Finally, we apply our model to GW170817. We show for different jet scenarios that the expected neutrino flux is orders of magnitude below the sensitivity of current instruments. Nevertheless, binary neutron star mergers could in principle support cosmic rays below the ankle.

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.

Angetrieben durch die Akkretion von Materie in ein super massives Schwarzes Loch in ihrem Zentrum, stellen aktive Galaxien die stärksten und beständigsten Strahlungsquellen im Universum dar. Ihre elektromagnetische Emission kann sich bis in den Gammastrahlenbereich ausbreiten. Das Ziel dieser Arbeit ist, diese Mechanismen und die Orte jenseits der hoch energetischen Emission zu charakterisieren. Dafür werden die Observationen von zwei Aktiven Galaxien im Bereich von hunderten von GeV verwendet, welche mit den Cherenkov Teleskopen MAGIC aufgenommen wurden. Die physikalische Interpretation wird durch Beobachtungen mit dem Fermi Gamma-ray Space Teleskop und durch Multiwellenlängendaten unterstützt. Es werden zwei Aktive Galaxien mit Jet untersucht: PKS 1510-089 und NGC 1275. Die MAGIC Teleskope, welche PKS 1510-089 seit 2012 immer wieder beobachten, detektieren eine signifikante Emission über dutzende von Observationsstunden, was auf schwache aber kontinuierliche Gammastrahlung aus dieser Quelle hinweist. NGC 1275 zeigte in der Periode von September 2016 bis Februar 2017 einen großen Ausbruch im Gammerstrahlenbereich: MAGIC zeichnete eine Variabilität in der Größenordnung von wenigen Stunden und die erstmalige Emission von TeV Photonen. Aus beiden untersuchten Quellen ist ersichtlich, dass die Kombination von Daten aus verschiedenen Instrumenten die physische Diskussion entscheidend beeinflusst. Der Übergang zu zugänglichen und interoperablen Daten wird zu einem zwingenden Thema für Gammastrahlenastronomen, und diese Arbeit stellt das technische Bestreben dar, standardisierte hochrangige Daten für Gammastrahleninstrumente zu erzeugen. Ein Beispiel für eine zukünftige Analyse, die einheitliche High-Level-Daten von einem Gammastrahlensatelliten und vier Cherenkov-Teleskopen kombiniert, wird vorgestellt. Der neue Ansatz, der vorgeschlagen wird, führt die Datenanalyse durch und verbreitet die Ergebnisse, wobei nur Open-Source-Ressourcen verwendet werden. / Powered by the accretion of matter to a supermassive black hole, active galactic nuclei constitute the most powerful and persistent sources of radiation in the universe, with emission extending in the gamma-ray domain. The aim of this work is to characterise the mechanisms and sites beyond this highly-energetic radiation employing observations of two galaxies at hundreds of GeV, conducted with the MAGIC imaging Cherenkov telescopes. The physical interpretation is supported with observations by the Fermi Gamma-ray Space Telescope and with multi-wavelength data. Two peculiar jetted galaxies are studied: PKS 1510-089 and NGC 1275. The first source, monitored by MAGIC since 2012, presents a significant emission over tens of observation hours, in what appears to be a low but persistent gamma-ray state. The second source has instead shown, in the period between September 2016 and February 2017, a major outburst in its gamma-ray activity with variability of the order of few hours and emission of TeV photons. The broad band emission of jetted galaxies is commonly modelled with the radiative processes of a population of electrons accelerated in the jet. While PKS 1510-089 conforms to this scenario, modelling the gamma-ray outburst of NGC 1275 requires placing the acceleration and radiation of electrons close to the event horizon of the black hole. From both the sources studied it is evident that the combination of data from different instruments critically drives the physical discussuion. Moving towards accessible and interoperable data becomes a compelling issue for gamma-ray astronomers and this thesis presents the technical endeavour to produce standardised high-level data for gamma-ray instruments. An example of a future analysis combining uniformed high-level data from a gamma-ray satellite and four Cherenkov telescopes is presented. The novel approach proposed performs the data analysis and disseminates the results making use only of open-source assets.