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.

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.

Giacconi et al. (1962) discovered a diffuse cosmic X-ray background with rocket experiments when they searched for lunar X-ray emission. Later satellite missions found a spectral peak in the cosmic X-ray background at ~30 keV. Imaging X-ray satellites such as ROSAT (1990-1999) were able to resolve up to 80% of the background below 2 keV into single point sources, mainly active galaxies. The cosmic X-ray background is the integration of all accreting super-massive (several million solar masses) black holes in the centre of active galaxies over cosmic time. Synthesis models need further populations of X-ray absorbed active galaxy nuclei (AGN) in order to explain the cosmic X-ray background peak at ~30 keV. Current X-ray missions such as XMM-Newton and Chandra offer the possibility of studying these additional populations. This Ph.D. thesis studies the populations that dominate the X-ray sky. For this purpose the 120 ksec XMM-Newton Marano field survey, named for an earlier optical quasar survey in the southern hemisphere, is analysed. Based on the optical follow-up observations the X-ray sources are spectroscopically classified. Optical and X-ray properties of the different X-ray source populations are studied and differences are derived. The amount of absorption in the X-ray spectra of type II AGN, which are considered as a main contributor to the X-ray background at ~30 keV, is determined. In order to extend the sample size of the rare type II AGN, this study also includes objects from another survey, the XMM-Newton Serendipitous Medium Sample. In addition, the dependence of the absorption in type II AGN with redshift and X-ray luminosity is analysed. We detected 328 X-ray sources in the Marano field. 140 sources were spectroscopically classified. We found 89 type I AGN, 36 type II AGN, 6 galaxies, and 9 stars. AGN, galaxies, and stars are clearly distinguishable by their optical and X-ray properties. Type I and II AGN do not separate clearly. They have a significant overlap in all studied properties. In a few cases the X-ray properties are in contradiction to the observed optical properties for type I and type II AGN. For example we find type II AGN that show evidence for optical absorption but are not absorbed in X-rays. Based on the additional use of near infra-red imaging (K-band), we were able to identify several of the rare type II AGN. The X-ray spectra of type II AGN from the XMM-Newton Marano field survey and the XMM-Newton Serendipitous Medium Sample were analysed. Since most of the sources have only ~40 X-ray counts in the XMM-Newton PN-detector, I carefully studied the fit results of simulated X-ray spectra as a function of fit statistic and binning method. The objects revealed only moderate absorption. In particular, I do not find any Compton-thick sources (absorbed by column densities of NH > 1.5 x 10^24 cm^−2). This gives evidence that type II AGN are not the main contributor of the X-ray background around 30 keV. Although bias effects may occur, type II AGN show no noticeable trend of the amount of absorption with redshift or X-ray luminosity. / Giacconi et al. (1962) entdeckten mit Hilfe von Raketenexperimenten auf der Suche nach Röntgenstrahlung vom Mond eine scheinbar diffuse extragalaktische Röntgenhintergrundstrahlung. Spätere Satellitenmissionen detektierten ein Maximum dieser Strahlung bei ~30 keV. Abbildenden Röntgensatelliten wie ROSAT (1990-1999) gelang es, bis zu 80% des diffusen Hintergrundes unter 2 keV in einzelne Punktquellen aufzulösen, von denen die überwiegende Mehrheit aktive Galaxienkerne waren. Der Röntgenhintergrund ist somit wahrscheinlich als die Emission der Gesamtheit aller akkretierenden superschweren (mehrere Millionen Sonnenmassen) schwarzen Löcher in den Zentren von Galaxien in der kosmischen Geschichte zu verstehen. Zur Erklärung des Maximums der spektralen Energieverteilung der Röntgenhintergrundstrahlung bei ~30 keV benötigen theoretische Modelle jedoch zusätzliche Populationen von röntgenabsorbierenden aktiven Galaxienkernen (AGN). Derzeitige Röntgenmissionen wie XMM-Newton und Chandra ermöglichen die Untersuchung dieser Quellklassen. Die vorliegende Arbeit untersucht die Quellpopulationen, die den Röntgenhimmel dominieren. Dazu wird die 120 ksec XMM-Newton Beobachtung im Marano Feld, Ziel einer früheren optischen AGN-Durchmusterung am Südhimmel, ausgewertet. Die optischen und Röntgeneigenschaften der unterschiedlichen Quellpopulationen werden untersucht und Unterschiede erarbeitet. Für die röntgenabsorbierende Objektklasse der Typ II AGN, die man als möglichen Erzeuger der Röntgenstrahlung um 30 keV betrachtet, wird aus den Röntgenspektren das Ausmaß der Absorption ermittelt. Um die Anzahl dieser selten gefundenen Objekte zu erhöhen, werden in dieser Arbeit zusätzliche Objekte aus der Röntgendurchmusterung des “XMM-Newton Serendipitous Medium Sample” einbezogen. Die Abhängigkeit der Absorption von der Rotverschiebung und der Röntgenleuchtkraft wird untersucht. Von 328 Röntgenquellen im Marano Feld konnten 140 spektroskopisch klassifiziert werden. Es wurden 89 Typ I AGN, 36 Typ II AGN, 6 Galaxien und 9 Sterne gefunden. Nur basierend auf den optischen und Röntgeneigenschaften können AGN, Galaxien und Sterne unterschieden werden. Typ I und II AGN lassen sich nicht klar trennen und zeigen große Gemeinsamkeiten in den untersuchten Eigenschaften. Mit Hilfe von zusätzlichen Aufnahmen im nahen Infraroten (K-Band) konnten erfolgreich mehrere seltene Typ II AGN identifiziert werden. Die Röntgenspektren von Typ II AGN aus dem XMM-Newton Marano Feld und dem “XMM-Newton Serendipitous Medium Sample” wurden ausgewertet. Die Objekte weisen nur eine mäßige Absorption auf und scheinen somit nicht einen Hauptbestandteil des Röntgenstrahlungshintergrundes um 30 keV zu erzeugen. Obwohl Selektionseffekte nicht vollständig verstanden sind, zeigen Typ II AGN keine erkennbare Abhängigkeit der Absorption von der Rotverschiebung oder der Röntgenleuchtkraft.

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 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.