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Abstract

This thesis is devoted to the study of extremely energetic short-timescale astrophysical events, Gamma-ray bursts (GRBs). GRBs exhibit broad-band bright non-thermal emission, which was analysed using two major experiments: the High Altitude Water Cherenkov observatory (HAWC) and the High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.). The two experiments are in many respects complementary for the observation of very high energy (VHE) gamma-ray emission from GRBs, and in this work the respective advantages were exploited to maximise the sensitivity to VHE signals. After the analysis of several tens of GRBs observed using H.E.S.S. until 2017, where no significant emission was detected, improvements in the observation strategy of H.E.S.S. allowed the detection of GRB~180729B and GRB~190829A. These detections are presented in context with multi-wavelength data, proposing plausible emission mechanisms, thus concluding a decade-long search for these elusive phenomena at VHE.

In the second part, novel methods to improve the accuracy of the HAWC detector simulation are presented, including better modelling of the detector efficiencies and electronics. A model that accounts for the detector response and the GRB flux evolution has been developed to estimate the optimal integration time for VHE searches with HAWC. Thanks to these improvements, it is possible to exploit the wide field of view and high duty cycle of HAWC for the search of VHE emission in several tens of GRBs. Preliminary evidence for emission is found in one of the GRBs studied, and upper limits are obtained for all the GRBs analysed and placed in context of the X-ray properties of these events. Finally, the limits and detections presented in this work are placed within the framework of the current understanding of GRBs and prospects for future and present VHE gamma-ray detectors are presented.

Translation of abstract (German)

Diese Arbeit widmet sich der Untersuchung von extrem energiereichen, kurzzeitigen astrophysikalischen Ereignissen, den Gammastrahlenblitzen (GRBs). GRBs weisen eine breitbandige, helle nicht-thermische Emission auf, die in dieser Arbeit anhand der Daten zweier großer Experimente analysiert wurde: dem High Altitude Water Cherenkov Observatory (HAWC) und dem High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.). Die beiden Experimente sind in vielerlei Hinsicht komplementär für die Beobachtung von sehr hochenergetischer (VHE) Gammastrahlenemission von GRBs - in dieser Arbeit wurden die jeweiligen Vorteile ausgenutzt, um die Empfindlichkeit für VHE-Signale zu erhöhen. Nach der Analyse von mehreren Dutzend GRBs, die bis 2017 mit H.E.S.S. beobachtet wurden und bei denen keine signifikante Emission festgestellt wurde, ermöglichten Verbesserungen in der Beobachtungsstrategie von H.E.S.S. den Nachweis von GRB~180729B und GRB~190829A. Diese Entdeckungen werden im Zusammenhang mit Multi-Wellenlängen-Daten vorgestellt, wobei plausible Emissionsmechanismen vorgeschlagen werden, um so eine jahrzehntelange Suche nach diesen schwer fassbaren Phänomenen im VHE-Bereich abzuschließen.

Im zweiten Teil der Arbeit werden neuartige Methoden zur Verbesserung der Genauigkeit der HAWC-Detektorsimulation vorgestellt, einschließlich einer verbesserten Modellierung der Detektoreffizienz und -elektronik. Es wurde ein Modell entwickelt, das die Detektorantwort und die zeitliche Entwicklung des GRB-Flusses berücksichtigt, um die optimale Integrationszeit für VHE-Suchen mit HAWC abzuschätzen. Dank dieser Verbesserungen ist es möglich, das breite Sichtfeld und den nahezu ununterbrochenen Betrieb von HAWC für die Suche nach VHE-Emission in mehreren Dutzend GRBs zu nutzen. In einem der untersuchten GRBs wurden vorläufige Hinweise auf Emission gefunden; für alle analysierten GRBs wurden Obergrenzen ermittelt und in den Kontext der Röntgen-Beobachtungen dieser Ereignisse gesetzt. Abschließend werden die in dieser Arbeit vorgestellten Grenzen und Nachweise im Rahmen des aktuellen Verständnisses von GRBs diskutiert und Perspektiven für zukünftige und aktuelle VHE-Gammastrahlendetektoren vorgestellt.