Köln, University, Diss., 2005. / Dateiformat: tgz, Dateien im PDF-Format.

Zugl.: München, University, Diss., 2008.

Universiẗat, Diss., 2002--München.

Universiẗat, Diss., 2005--Bonn.

University, Diss., 2005--Heidelberg.

The presented thesis describes the observations of the Galactic center Quintuplet cluster, the spectral analysis of the cluster Wolf-Rayet stars of the nitrogen sequence to determine their fundamental stellar parameters, and discusses the obtained results in a general context. The Quintuplet cluster was discovered in one of the first infrared surveys of the Galactic center region (Okuda et al. 1987, 1989) and was observed for this project with the ESO-VLT near-infrared integral field instrument SINFONI-SPIFFI. The subsequent data reduction was performed in parts with a self-written pipeline to obtain flux-calibrated spectra of all objects detected in the imaged field of view. First results of the observation were compiled and published in a spectral catalog of 160 flux-calibrated $K$-band spectra in the range of 1.95 to 2.45,$mu$m, containing 85 early-type (OB) stars, 62 late-type (KM) stars, and 13 Wolf-Rayet stars. About 100 of these stars are cataloged for the first time. The main part of the thesis project was concentrated on the analysis of the WR stars of the nitrogen sequence and one further identified emission line star (Of/WN) with tailored Potsdam Wolf-Rayet (PoWR) models for expanding atmospheres (Hamann et al. 1995) that are applied to derive the stellar parameters of these stars. For this purpose, the atomic input data of the PoWR models had to be extended by further line transitions in the near-infrared spectral range to enable adaequate model spectra to be calculated. These models were then fitted to the observed spectra, revealing typical paramters for this class of stars. A significant amount of hydrogen of up to $X_text{H} sim 0.2$ by mass fraction is still present in their stellar atmospheres. The stars are also found to be very luminous ($log{(L/L_odot)} > 6.0$) and show mass-loss rates and wind characteristics typical for radiation-driven winds. By comparison with stellar evolutionary models (Meynet & Maeder 2003a; Langer et al. 1994), the initial masses were estimated and indicate that the Quintuplet WN stars are descendants from the most massive O stars with $M_text{init} > 60 M_odot$ and their ages correspond to a cluster age of 3-5,million years. The analysis of the individual WN stars revealed an average extinction of $A_K =3.1 pm 0.5$,mag ($A_V = 27 pm 4$) towards the Quintuplet cluster. This extinction was applied to derive the stellar luminosities of the remaining early-type and late-type stars in the catalog and a Hertzsprung-Russell diagram could be compiled. Surprisingly, two stellar populations are found, a group of main sequence OB stars and a group of evolved late-type stars, i.e. red supergiants (RSG). The main sequence stars indicate a cluster age of 4 million years, which would be too young for red supergiants to be already present. A star formation event lasting for a few million years might possibly explain the Quintuplet's population and the cluster would still be considered coeval. However, the unexpected and simultaneous presence of red supergiants and Wolf-Rayet stars in the cluster points out that the details of star formation and cluster evolution are not yet well understood for the Quintuplet cluster. / Die vorgelegte Arbeit befasst sich mit der Spektralanalyse der massereichen Sterne, speziell der Wolf-Rayet Sterne der Stickstoffsequenz, des Quintuplet-Sternhaufens im Galaktischen Zentrum, welches durch Staubwolken vor visuellen Beobachtungen verborgen ist. Der Sternhaufen wurde in einer der ersten Infrarot-Durchmusterungen entdeckt (Okuda et al. 1987, 1989) und f"ur dieses Projekt mit dem Grossteleskop ESO-VLT und dem Infrarotinstrument SINFONI-SPIFFI beobachtet. Die Daten wurden aufbereitet und die flusskalibrierten Spektren in einem Katalog ver"offentlicht. Darin enthalten sind 85 Sterne fr"uhen Spektraltyps (O- und B-Sterne), 62 Sterne sp"aten Spektraltyps (K- und M-Sterne), sowie 13 Wolf-Rayet Sterne. Etwa 100 Sterne sind zum ersten mal detektiert und katalogisiert worden. Die flusskalibrierten Spektren der Wolf-Rayet Sterne der Stickstoffsequenz (WN) wurden mit den Potsdam Wolf-Rayet Modellen f"ur expandierende Sternatmosph"aren (Hamann et al. 1995) untersucht, wozu zun"achst Atomdaten der Modelle f"ur den Infrarotbereich erg"anzt werden mussten. Verschiedene Modellspektren und -energieverteilungen wurden mit den Beobachtungen verglichen, um die Sternparameter Temperatur, Radius, Leuchtkraft und die Charakteristik des Sternwinds Geschwindigkeit, chemische Zusammensetzung und Massenverlustrate zu bestimmen. Der ermittelte hohe Wasserstoffgehalt der Winde der WN-Sterne zeigt, dass sie Abk"ommlinge von massereichen O-Sternen sind, die die Hauptreihe verlassen haben. Desweiteren sind die Sterne sehr leuchtkr"aftig ($log(L/L_odot) > 6$) und zeigen Massenverlustraten, die typisch sind f"ur strahlungsgetriebenen Sternwinde. Im Vergleich mit Sternentwicklungsmodellen (Meynet & Maeder 2003a; Langer et al. 1994) ergeben sich Anfangsmassen von $M_text{init}>60,M_odot$, sowie ungef"ahre Sternalter von 3-5 Millionen Jahren f"ur die WN-Sterne, was dem angenommenen Altern des Quintuplet-Haufens entspricht. Durch die Analyse der spektralen Energieverteilungen der einzelnen WN-Sterne konnte eine mittlere interstellare Extinktion von $A_K =3.1 pm 0.5$,mag ($A_V = 27 pm 4$,mag) in der Richtung des Quintuplet-Haufens ermittelt und f"ur die Bestimmung der Leuchtkr"afte der verbleibenden Sterne des Katalog verwendet werden. Die anschliess ende vorl"aufige Analyse ergab eine Dichotomie der Sternpopulation von fr"uhen und sp"aten Sternen im Hertzsprung-Russell-Diagramm. W"ahrend die OB-Sterne entsprechend der Entwicklungstheorie auf der Hauptreihe des Haufens liegen, befinden sich die KM-Sterne im entwickelten Stadium der Roten Riesen, welches f"ur Sterne diesen Typs fr"uhestens nach 7 Millionen Jahren erwartet wird. Somit steht die zeitgleiche Entstehung aller Sterne des Sternhaufens in Frage. Sie wird im Rahmen von Haufenzugeh"origkeit und einer Phase ausgedehnter Sternentstehung diskutiert. Es bleibt anzuerkennen, dass die Sternentstehung und -entwicklung auch im speziellen Fall des Quintuplet-Haufens noch nicht hinreichend gut verstanden sind.

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.

Dunkle Materie bindet etwa 24 % der gesamten Energie im Universum. Bis heute ist jedoch dessen Ursprung nicht bekannt. Untersuchungen von Galaxien und kosmologischen Messungen deuten auf Dunkle Materie hin. Ein Kandidat für Dunkle Materie ist das sogenannte Weakly Interactive Massive Particle (WIMP), welches nur der Schwerkraft und der schwachen Wechselwirkung unterliegt. Eines dieser supersymmetrischen Teilchen ist das Neutralino. Das Ziel dieser Arbeit ist es, nach Dunkler Materie in dieser Form zu suchen. Aufgrund seiner Nähe sowie der hohen Dichte an Dunkler Materie bietet das Zentrum unserer Galaxie besondere Möglichkeiten zur Suche nach diesen Teilchen. Es wird vermutet, dass Neutralinos miteinander wechselwirken, dabei in Teilchen des Standard Modells zerfallen und so Photonen mit hohen Energien entstehen. Die Suche nach hochenergetischen Gammastrahlen in der Nähe des Galaktischen Zentrums kann folglich das Rätsel der Dunklen Materie lösen. Das Gammastrahlenobservatorium VERITAS hat das Galaktische Zentrum für etwa 108 Stunden beobachtet. Diese Daten wurden mittels einer unbinned Likelihood-Analyse auf die Existenz von Dunkler Materie untersucht. Da VERITAS das Galaktische Zentrum bei geringer Elevation beobachtet, können nur Gammastrahlen in einem Energiebereich zwischen 4 und 70 TeV detektiert werden. Die Analysemethode modelliert sowohl die räumliche Verteilung der Dunklen Materie als auch das Gammastrahlenspektrum. Der Beitrag der Gammastrahlen, welcher nicht von Dunkler Materie erzeugt wird, ist mittels einer punktförmigen Quelle modelliert. Zum Schluss wird der Untergrund mit realen Daten außerhalb des Galaktischen Zentrums abgeschätzt. Im Energiebereich zwischen 4 und 100 TeV wurden keine Signale der Dunklen Materie gefunden. Obere Grenzwerte für den Wechselwirkungsquerschnitt der WIMPs ergeben ⟨σv⟩ < (6.6 − 7.6) × 10−25 cm^3 oberhalb von 70 TeV in einem 95-prozentigen Erwartungsintervall. / Dark matter accounts for 24% of the universe’s energy, but the form in which it is stored is currently unknown. Understanding what form this matter takes is one of the major unsolved mysteries of modern physics. Much evidence exists for dark matter in the measurements of galaxies, dwarf galaxies, galaxy clusters, and cosmological measurements. One theory posits dark matter is a new undiscovered particle that only interacts via gravity and the weak force, called a weakly interacting massive particle (WIMP). One WIMP candidate is a supersymmetric particle called a neutralino. The objective of this thesis is to search for these dark matter particles, and attempt to measure their mass and cross section. Dark matter particles appear to concentrate in most galaxy-scale gravitational wells. One region of space that is both nearby and assumed to have a high density of dark matter is the center of our own galaxy. The neutralino is expected to annihilate into Standard Model particles, which may decay into photons. Therefore, a search for gamma rays near the Galactic Center may uncover the presence of dark matter. 108 hours of VERITAS gamma-ray observations of the Galactic Center are used in an unbinned likelihood analysis to search for dark matter. The Galactic Center’s low elevation results in VERITAS observing gamma rays in the 4–70 TeV energy range. The analysis used in this thesis consists of modeling the halo of dark matter at the Galactic Center, as well as the spectrum of gamma rays produced when two WIMPs annihilate. A point source is added to model the non-dark-matter gamma-ray emission detected from the Galactic Center. Background models are constructed from data of separate off-Galactic-Center observations. No dark matter signal is found in the 4–100 TeV mass range. Upper limits on the WIMP’s velocity-averaged cross section have been calculated, which above 70 TeV result in new limits of ⟨σv⟩ < (6.6 − 7.6) × 10−25 cm3 at the 95% confidence level.

Die Arbeit beschäftigt sich mit der Quelle hochenergetischer Gammastrahlung HESS J1745-290, welche in Richtung des galaktischen Zentrums liegt und präsentiert die Analyse eines Datensatzes, der von den H.E.S.S. Teleskopen zwischen 2004 und 2014 aufgezeichnet wurde. Ziel der Untersuchung war es, eine zeitliche Variabilität des beobachteten Flusses festzustellen. Die Frage ob der Fluss von HESS J1745-290 variables Verhalten zeigt stellt sich, da sich die Quelle in der gleichen Richtung wie das supermassive schwarze Loch Sgr A* befindet, aus dessen Umgebung bereits variable Strahlung in verschiedenen Frequenzbereichen detektiert wurde. Die Beobachtung einer Variabilität des hochenergetischen Gammastrahlenflusses von HESS J1745-290 würde die Hypothese eines Zusammenhangs zwischen diesem Objekt und Sgr A* stützen, welche bis dato nicht bestätigt werden konnte. Die Suche nach Variabilität wurde für verschiedene Zeitskalen von Minuten bis hin zu Jahren durchgeführt, wobei Hinweise für Variabilität in verschiedenen statistischen Tests gefunden wurden. Die Suche konzentriert sich auf Variabilität ohne periodischen Charakter sowie auf Periodizität. Es wurden Hinweise auf eine Periode von 110 Tagen bei einem Signifikanzniveau von 4.1σ gefunden und auch der Fit einer H.E.S.S. Lichtkurve, die von 2004–2014 reicht, zeigt Variabilität bei einem Signifikanzniveau von 6.1σ, welches sich nach Anwendung eines systematischen Fehlers von 10% auf 4.5σ reduziert. Auch Anzeichen für Variabilität auf einer Zeitskala von Minuten wurden gefunden. Diese Variabilität auf einer Zeitskala von Minuten zeigt quasi-periodischen Charakter, ähnlich derer, welche während Infrarot und Röntgenbeobachtungen von Sgr A* festgestellt wurde. Die Möglichkeit einer Verbindung zwischen HESS J1745-290 und Sgr A* und insbesondere auch die Fragestellung, ob die hier präsentierten Ergebnisse als erster Hinweis auf solch einen Zusammenhang gewertet werden können, werden Thema der Diskussion am Ende der Arbeit sein. / A detailed study on the very-high-energy (VHE) γ-ray source HESS J1745-290 in direction of the Galactic Center using 10 years of data from the H.E.S.S. array of Cherenkov telescopes from 2004 to 2014 with the objective to search for variability of the γ-ray flux of this object is presented. The question if HESS J1745-290 shows variability is of special interest, since the source is located at the same direction as the super-massive black hole Sgr A*. From the vicinity of this black hole variable radiation has been reported for different wavelength bands. The detection of a variability of the VHE γ-ray flux of HESS J1745-290 would favor the hypothesis of a connection of this object and Sgr A* which could not be confirmed so far. The search for variability was performed for different timescales from minutes to years and indeed revealed evidence for variability in different statistical tests which will be discussed in detail together with systematic cross-checks. The study focuses on both variability with and without periodic character. While there is evidence for a long-term flux modulation with a period of 110 d at the 4.1σ significance level, the fit of a H.E.S.S. run-wise light curve from 2004–2014 shows variability at the 6.1σ level, which reduces to 4.5σ after adding a 10% systematic error to each flux measurement. Also signs of variability at a timescale of minutes were found at the 3.1σ level. This tentative VHE short-term variability also shows quasi-periodic behavior as it was reported during infrared and X-ray observations of Sgr A*. Such a tentative long-term flux modulation with a period of 110 d has previously also been reported for the radio band. Due to the similarity of time structure of the variability, which is reported for HESS J1745-290 in this thesis to observations of Sgr A* at other wavelength bands, the thesis will close with the discussion if these results can be considered to be first evidence for a link between HESS J1745-290 and Sgr A*.