The Galaxy beyond TeV energies with H.E.S.S. and CTA - Archive ouverte HAL Access content directly
Theses Year : 2021

The Galaxy beyond TeV energies with H.E.S.S. and CTA

La Galaxie au-delà du TeV avec H.E.S.S.-2 et CTA

(1)
1
Luca Giunti
  • Function : Author
  • PersonId : 1143038
  • IdRef : 262721694

Abstract

The origin of Galactic cosmic rays is a century-old problem that can be tackled by studying the properties of the gamma-ray emission from astrophysical sources in the Galactic plane. The Galactic cosmic ray factories, also known as PeVatrons, are expected to accelerate particles up to at least few PeV (1 PeV = 10^15 eV). They may therefore be revealed by means of gamma-ray observations at energies exceeding tens and hundreds of TeV, i.e. around the transition between the very-high energy (VHE) and ultra-high-energy (UHE) gamma-ray bands. In this thesis we analyzed data from the High-Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.), a VHE gamma-ray telescope array located in Namibia, to pinpoint the best PeVatron candidates in the Southern gamma-ray sky. We made large use of the 3D analysis technique, recently adopted in VHE gamma-ray astronomy, to derive information on the physical properties of Galactic objects using spatial and spectral parametric templates. The results presented in this thesis were obtained using Gammapy, the official software tool of the Cherenkov Telescope Array (CTA) Observatory. First, we performed a detailed study of the unidentified source HESS J1702-420. This led us to conclude that, under the assumption that inelastic collisions between ultra-relativistic cosmic rays and target gas protons are at the origin of its gamma-ray emission, HESS J1702-420 likely harbors PeV protons. HESS J1702-420 therefore becomes an excellent PeVatron candidate, even if leptonic emission scenarios could not be excluded. Extending the same analysis techniques, we then performed a blind search for gamma-ray sources significantly detected by H.E.S.S. above 20 TeV, which resulted in a new catalog of 14 objects called the H.E.S.S. high-Energy Galactic Plane Survey (HEGPS). This will constitute a valuable legacy for future pointing experiments such as CTA, potentially supporting a reasoned choice in the time allocation strategy for the PeVatron key science project. We have additionally made simulation-based performance studies for CTA, focusing on the PeVatron detection and modeling capabilities of the future array.
L'origine des rayons cosmiques galactiques est un problème vieux d'un siècle qui peut être résolu en étudiant les propriétés de l'émission de rayons gamma provenant de sources astrophysiques dans le plan galactique. Les sources de rayons cosmiques galactiques, également connues sous le nom de PeVatrons, devraient accélérer les particules jusqu'à au moins quelques PeV (1 PeV = 10^15 eV). Ils peuvent donc être révélés par des observations gamma à des énergies dépassant les dizaines et centaines de TeV, c'est-à-dire autour de la transition entre les bandes gamma des très hautes énergies (VHE) et des ultra hautes énergies (UHE). Dans cette thèse, nous avons analysé les données du High-Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.), un réseau de télescopes gamma VHE situé en Namibie, pour identifier les meilleurs candidats PeVatron dans le ciel gamma du sud. Nous avons largement utilisé la technique d'analyse 3D, récemment adoptée en astronomie gamma VHE, pour dériver des informations sur les propriétés physiques des objets galactiques à l'aide de modèles paramétriques spatiaux et spectraux. Les résultats présentés dans cette thèse ont été obtenus à l'aide de Gammapy, l'outil logiciel officiel de l'observatoire Cherenkov Telescope Array (CTA). Dans un premier temps, nous avons réalisé une étude détaillée de la source non identifiée HESS J1702-420. Cela nous a conduit à conclure que, en supposant que les collisions inélastiques entre les rayons cosmiques ultra-relativistes et les protons du gaz cible sont à l'origine de son émission de rayons gamma, HESS J1702-420 abrite probablement des protons PeV. HESS J1702-420 devient donc un excellent candidat PeVatron, même si des scénarios d'émission leptonique ne pouvaient être exclus. En prolongeant les mêmes techniques d'analyse, nous avons ensuite effectué une recherche à l'aveugle des sources de rayons gamma détectées de manière significative par H.E.S.S. au-dessus de 20 TeV, ce qui a donné lieu à un nouveau catalogue de 14 objets appelé H.E.S.S. high-Energy Galactic Plane Survey (HEGPS). Cela constituera un héritage précieux pour les futures expériences de pointage telles que le CTA, soutenant potentiellement un choix raisonné dans la stratégie d'attribution de temps pour le projet scientifique clé PeVatron. Nous avons en outre réalisé des études de performances basées sur la simulation pour CTA, en nous concentrant sur les capacités de détection et de modélisation de PeVatron du futur réseau.
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Dates and versions

tel-03696526 , version 1 (16-06-2022)

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  • HAL Id : tel-03696526 , version 1

Cite

Luca Giunti. The Galaxy beyond TeV energies with H.E.S.S. and CTA. Astrophysics [astro-ph]. Université Paris Cité, 2021. English. ⟨NNT : 2021UNIP7096⟩. ⟨tel-03696526⟩
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