<p>     </p> <p>This article-based dissertation provides a review of the broad subject of Neutron Star- their emission properties, plasmoids ejection events, and their proposed physical mechanisms. The primary purpose of this dissertation is to provide an extensive description of the research projects I undertook during my tenure as a Graduate Research Assistant, under the guidance of my advisor Prof. Maxim Lyutikov. </p> <p><br></p> <p>Chapter 1 provides a broad overview of the Neutron stars, their classification, proposed emission models, and a summary of magnetars and associated observed phenomena. </p> <p><br></p> <p>In Chapter 2, I present a version of the research article published in the <em>Monthly Notices of the Royal Astronomical Society</em>. The work is titled "Rotating Neutron Stars Without Light Cylinders" and discusses twisted and differentially rotating neutron star magnetospheres that do not have a light cylinder, generate no wind, and thus do not spin down. The magnetosphere of such neutron stars is composed of embedded differentially rotating flux surfaces, with the angular velocity decreasing as Ω ∼ 1/r. It was found, both analytically and using numerical simulations, that for spin parameters larger than some critical value, the light cylinder appears, the magnetosphere opens up, and the wind is generated. </p> <p>In Chapter 3, I present a version of the research article published in <em>The Astrophysical Journal</em>. The work is titled "Relativistic Magnetic Explosions" and was undertaken under the supervision of Dr. Maxim Barkov, in collaboration with Dr. Konstantinos N. Gourgou- liatos and Dr. Lyutikov2 Barkov. It discusses the dynamics of magnetically driven explosive astrophysical events, like magnetar bursts and flares. We model a relativistic expansion of highly magnetized and highly magnetically over-pressurized clouds. We observe that the corresponding dynamics are qualitatively different from fluid explosions due to the topological constraint of the conservation of the magnetic flux. Using analytical, relativistic MHD as well as force-free calculations, we find that the creation of a relativistically expanding, causally disconnected flow obeys a threshold condition: it requires sufficiently high initial over-pressure and sufficiently quick decrease of the pressure in the external medium (the pre-explosion wind). In the subcritical case, the magnetic cloud just puffs up" and quietly expands with the pre-flare wind. We also find a compact analytical solution to the Prendergast problem - the expansion of force-free plasma into the vacuum. </p> <p><br></p> <p>Chapter 4 is the extension of the work in Chapter 3 and focuses on the dynamics of relativistic Coronal Mass Ejections (CMEs), from launching by shearing of foot-points (either slowly or suddenly), to propagation in the preceding magnetar wind. The work has been accepted to be published in <em>Monthly Notices of the Royal Astronomical Society</em>. For slow shear, we find that most of the energy injected into the CME is first spent on the work done on breaking through the over-laying magnetic field. At later stages, sufficiently powerful CMEs may lead to the detonation of a CME and opening of the magnetosphere beyond some equipartition radius req, where the decreasing energy of the CME becomes larger than the decreasing external magnetospheric energy. Post-CME magnetosphere relaxes via the formation of a plasmoid-mediated current sheet, initially at req, and slowly reaching the light cylinder. Both the location of the foot-point shear and the global magnetospheric configuration affect the frequent/weak versus rare/powerful CME dichotomy - to produce powerful flares the slow shear should be limited to field lines that close in near the star.  After the creation of a topologically disconnected flux tube, the tube quickly (at ∼ the light cylinder) comes into force-balance with the preceding wind and is passively advected/frozen in the wind afterward. </p> <p>For fast shear case, the shearing of foot-points leads to the generation of Alfvén wave and the pressure of such Alfvén leads to the opening of the magnetosphere. At distances much larger than the light cylinder, the resulting shear Alfvén waves propagate through the wind non-dissipatively. </p> <p><br></p> <p>In Chapter 5, I switch gears and study the optical polarization of Crab pulsar. I start by deriving a general relation for the polarization direction of the electric dipole-type radiation produced by a particle moving in an arbitrary electromagnetic field. The derived relations are then applied to reproduce optical polarization swings in Crab pulsar assuming a Michel- Bogovalov solution for the current sheet. With this, I was able to reproduce down to intricate details the spin-phase trajectory of the position angle (PA) in the Stokes parameters U-Q plane. This chapter however remains a work in progress. We still don't fully understand the physical mechanism behind the polarization characteristics of the Crab, especially the origin of the point where the inner loop connects with the bigger outer loop. I plan to fully answer these questions before sending our findings for publication. </p> <p><br></p> <p>Chapter 6 summarizes the main results and conclusions of the research projects and mentions the prospects. References are compiled after the appendices so that they are first cited, followed by a CV and a list of publications. </p>

Cette thèse porte sur les grandes questions concernant le magnétisme des étoiles massives, c'est-à-dire les étoiles qui termineront leur vie par une supernova puisqu'elles sont plus massives que huit fois la masse de notre Soleil. Nous nous intéressons en particulier à l'effet d'un champ magnétique sur la structure et l'évolution de ces étoiles, ainsi qu'à l'origine de ce champ. En effet, les théories actuelles prédisent que la présence d'un champ magnétique chez une étoile massive aura une influence marquée sur son cheminement, par le biais d'une modification de la perte de masse et de la rotation, deux ingrédients clés de l'évolution stellaire. Nous avons entrepris un relevé spectropolarimétrique des étoiles massives appartenant à deux amas d'étoiles, l'amas de la nébuleuse d'Orion et l'amas de la nébuleuse de la Rosette, à l'aide de l'instrument ESPaDOnS installé au télescope Canada-France-Hawaii. Nous avons détecté trois étoiles magnétiques, dont deux nouvelles détections, toutes situées dans l'amas de la nébuleuse d'Orion. Nous avons évalué la fréquence du magnétisme pour chacun de ces amas, et déterminé que leurs fréquences d'étoiles magnétiques semblent être statistiquement différentes. La fréquence générale du magnétisme chez les étoiles massives, déterminée à partir de nos observations, est d'au moins 11%. À l'aide d'observations spectropolarimétriques, nous avons déterminé les caractéristiques magnétiques des étoiles de l'amas de la nébuleuse d'Orion, grâce à notre méthode de modélisation contemporaine basée sur les statistiques bayésiennes. Nous sommes donc en mesure d'obtenir une distribution des forces de champs magnétiques à la surface des étoiles OB de l'amas de la nébuleuse d'Orion. Cette distribution semble pointer vers deux populations distinctes, en accord qualitatif avec l'idée qu'un champ magnétique d'origine fossile ne peut survivre qu'au-dessus d'une certaine force. De plus, nous avons comparé cette distribution avec celle prédite par les modèles d'origine fossile des champs des étoiles à neutrons. Il semble que les étoiles massives ont, à première vue, assez de flux magnétique pour expliquer les champs magnétiques des pulsars. Nous avons de plus étudié l'effet de l'interaction d'un champ magnétique avec le vent radiatif généralement puissant présent chez les étoiles massives. Nous avons déterminé que les étoiles OB magnétiques ne montrent pas systématiquement d'émission en rayons X plus lumineuse, plus dure et plus variable que celle prédite par un vent non magnétique.

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Dédié à l’étude du ciel en rayons gamma, le satellite Fermi comporte à son bord le Large AreaTelescope (LAT), sensible au rayonnement de 20 MeV à plus de 300 GeV. Sa sensibilité et ses performances grandissantes apportent de plus en plus de contraintes sur les nébuleuses à vent de pulsar. Ces nébuleuses sont alimentées par l’injection permanente d’un vent d’électrons et de positrons relativistes accélérés par l’onde de choc délimitant la nébuleuse. Ces particules chargées rayonnent dans les différents domaines du spectre électromagnétique et notamment dans le domaine des rayons gamma à l’aide du processus de diffusion Compton inverse. Cette thèse présente l’étude morphologique et spectrale détaillée de deux sources potentiellement associées à des nébuleuses : MSH 11-62 et HESS J1857+026, afin de déterminer si l’émission gamma est produite par des nébuleuses de pulsar. Dans un deuxième temps, l’analyse de toutes les sources reliées à des contreparties détectées par les télescopes Cerenkov permet la détection de six nouvelles nébuleuses de pulsars et candidats dans la gamme de Fermi. Ceci permet d’apporter de nouvelles contraintes sur les propriétés physiques des nébuleuses de pulsar ainsi que sur les mécanismes d’émission à l’aide de modèles et d’études sur la population totale détectée par le LAT. / The Fermi Gamma-ray Space Telescope was launched on 2008 June 11, carrying the Large Area Telescope (LAT), sensitive to gamma-rays from 20 MeV to more than 300 GeV. Its constantly improving sensitivity and performance offer a new opportunity to understand the sources of the gamma-ray sky including Pulsar Wind Nebulae (PWNe). PWNe are powered by the constant injection of a relativistic wind of electrons and positrons from their central pulsars. These charged particles are accelerated at the shock front forming the PWN and emit photons which can be observed along the entire electromagnetic spectrum, including the highenergy gamma-ray domain via inverse Compton scattering.This thesis present the detailed analysis of two sources of gamma-ray emission potentially asso4021ciated to PWNe : MSH 11-62 and HESS J1857+026. The combination of the spatial and spectral analyses provide new elements to confirm these associations.In a second step, we describe a search for counterparts to sources detected by Cerenkov telescopes.This search led to the detection of six new LAT sources potentially associated with PWNe. These studies bring new insights and constraints on the physical properties of the sources as well as on emitting processes by constraining the models and allowing population studies.

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.

Thesis (Ph.D. (Space Physics)--North-West University, Potchefstroom Campus, 2008.

Thesis (Ph.D. (Space Physics)--North-West University, Potchefstroom Campus, 2008.

Thesis (Ph.D. (Space Physics)--North-West University, Potchefstroom Campus, 2008.

Diese Arbeit berichtet über die Suche nach gepulster und ungepulster hochenergetischer (VHE) Gammastrahlung mit dem High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.) im Energiebereich von 100 GeV bis 100 TeV von drei Pulsaren. Gepulste VHE Gammastrahlung wurde bisher nur fuer den jungen Krebspulsar gefunden. Eine besondere Gruppe von Pulsarwindnebeln (PWN) sind die zusammengesetzten Supernovaüberreste (SNR), bei denen sich ein PWN im Zentrum einer expandierenden SNR Schale befindet. Die Resultate der Suche nach gepulster und ungepulster VHE Gammastrahlung von zwei Millisekundenpulsaren, PSR J0437-4715 und PSR J1824-2452, werden im ersten Teil dieser Arbeit vorgestellt. Teile der Beobachtungen wurden in einer speziellen Triggerkonfiguration (dem Topologischen Trigger mit konvergenter Ausrichtung) durchgeführt, um die Energieschwelle des Instruments zu senken. Kein Hinweis auf gepulste oder ungepulste Emission wurde gefunden und obere Grenzen auf den gepulsten und ungepulsten Fluss wurden bestimmt. Die oberen Grenzen auf den gepulsten Fluss werden mit bestehenden Modellvorhersagen verglichen und erlauben für PSR J1824-2452 den Bereich möglicher Geometrien in einigen Modellen einzuschränken. Die Resultate der Suche nach gepulster und ungepulster VHE Gammastrahlung aus der Richtung des zusammengesetzten SNR Kes 75 werden im zweiten Teil dieser Arbeit präsentiert. Der PWN im Zentrum von Kes 75 wird von einem sehr jungen und energiereichen Pulsar, PSR J1846-0258, angetrieben, der ein aussergewöhnlich starkes Magnetfeld besitzt. Während kein Hinweis auf gepulste Strahlung gefunden wurde, konnte ungepulste Emission von VHE Gammastrahlung von einer Punktquelle mit einer statistischen Signifikanz von 10 sigma nachgewiesen werden. Die VHE Gammastrahlung ist räumlich koinzident mit dem PWN und mit der SNR Schale. Beide werden als mögliche Quelle für die beobachtete Emission diskutiert. Der Pulsar von Kes 75 wäre der jüngste bisher bekannte Pulsar, der einen Pulsarwindnebel antreibt. / This work reports on the search for pulsed and steady very-high energy (VHE) gamma-ray emission in the energy range extending from 100 GeV up to 100 TeV from the direction of three pulsars with the High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.). Pulsed gamma-ray radiation from pulsars with energies beyond 100 GeV was found thus far only for the young and energetic Crab pulsar. A special class of pulsar wind nebulae (PWNe) is associated with composite supernova remnants (SNRs) where the PWN is centered in an expanding SNR shell. In the first part of this thesis, the results on the search for pulsed and steady VHE gamma-ray emission from the two millisecond pulsars, PSR J0437-4715 and PSR J1824-2452, are presented. Parts of the observations were conducted in a special trigger setup (the topological trigger with convergent pointing) to reduce the energy threshold of the instrument. No signal of pulsed or steady emission is found and upper limits on the pulsed and steady gamma-ray flux are derived. The upper limits on the pulsed gamma-ray flux are compared to existing model predictions and, in the case of PSR J1824-2452, allow the range of possible viewing geometries in some models to be constrained. In the second part of this work, results on the search for pulsed and steady VHE gamma-ray emission from the direction of the composite SNR Kes 75 are presented. The PWN in the center of Kes 75 is powered by a very young and powerful pulsar, PSR J1846-0258, that has an exceptionally high magnetic field. While no hint for pulsed emission is found, steady VHE gamma-ray emission is detected with a statistical significance of 10 sigma from a point-like source. The VHE gamma-ray emission is spatially coincident with the PWN and the SNR shell. Both are discussed as a possible origin for the observed emission. The pulsar of Kes 75 would be the youngest pulsar known to date to power a VHE PWN.