Ausbreitung Kosmischer Strahlung

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1 Ausbreitung Kosmischer Strahlung
Seminarvortrag - Ausbreitung Kosmischer Strahlung "Zwei Dinge sind unendlich: Das Universum und die menschliche Dummheit. Aber beim Universum bin ich mir noch nicht ganz sicher." - Albert Einstein

2 Hauptseminarvortrag zur Ausbreitung der kosmischen Strahlung
Inhalt: Rückblick / Allgemeines zur kosmischen Strahlung Magnetische Felder Beschreibung der Ausbreitung Modell der Galaxis Transportgleichung Leaky-Box-Modell Rekapitulation 1 Rekapitulation 2 Spallation Cosmic Ray Clocks Fazit Timo Münzing Hauptseminarvortrag zur Ausbreitung der kosmischen Strahlung

3 Energiespektrum und Quellen
- kleiner 1GeV schwer zu untersuchen 1GeV bis etwa 5GeV durch galaktische Supernovas - Höhere Energien wahrscheinlich durch extragalaktische Quellen Der Krebsnebel, Überrest einer Supernova, Aufgenommen vom Hubble-Space-Telescope Timo Münzing Hauptseminarvortrag zur Ausbreitung der kosmischen Strahlung

4 Ausbreitung der Strahlung
Was beeinflusst die Strahlung auf ihrem Weg zur Erde? Magnetfelder Energiegewinne/-verluste (Beschleunigung/Spallation) Kollisionen radioaktiver Zerfall Timo Münzing Hauptseminarvortrag zur Ausbreitung der kosmischen Strahlung

5 Ausbreitung der Strahlung
Was beeinflusst die Strahlung auf ihrem Weg zur Erde? Magnetfelder Energiegewinne/-verluste (Beschleunigung/Spallation) Kollisionen radioaktiver Zerfall Timo Münzing Hauptseminarvortrag zur Ausbreitung der kosmischen Strahlung

6 Magnetfelder und ihre Auswirkungen
- Strahlung kommt isotrop auf der Erde an galaktische, ungeordnete Magnetfelder etwa 2,5μG im Universum bei uns ~3μG, parallel zur galaktischen Scheibe Magnetfeld am Beispiel der „Whirpool-Galaxie“ (oben links: Quasar OC-65) Timo Münzing Hauptseminarvortrag zur Ausbreitung der kosmischen Strahlung

7 Beispielrechnung Magnetfelder
Timo Münzing Hauptseminarvortrag zur Ausbreitung der kosmischen Strahlung

8 Beispielrechnung Magnetfelder
- Zentrifugalkraft Lorentzkraft Gleichsetzen: Beispielergebnisse für ein Proton: - E = 3GeV  r ≈ 3∙1012 m ≈ 20 AE - E = 6GeV  r ≈ 3∙1015 m ≈ 250 [Größe Sonnensystem] - E = 9GeV  r ≈ 3∙1018 m ≈ 317 ly Timo Münzing Hauptseminarvortrag zur Ausbreitung der kosmischen Strahlung

9 Hauptseminarvortrag zur Ausbreitung der kosmischen Strahlung
Schlussfolgerungen - Isotropie kleiner als 5GeV aus unserer Galaxis Timo Münzing Hauptseminarvortrag zur Ausbreitung der kosmischen Strahlung

10 Warum nur galaktische Supernovas?
- Diffuse Ausbreitung: r ~ t 2 durch die Lebensdauer der Teilchen kommen nur galaktische Supernovas in Frage Große Magellansche Wolke Illustration der Milchstraße Timo Münzing Hauptseminarvortrag zur Ausbreitung der kosmischen Strahlung

11 Hauptseminarvortrag zur Ausbreitung der kosmischen Strahlung
Rekapitulation - Beeinflussung der Strahlung durch: Magnetfelder Energiegewinne/-verluste Kollisionen radioaktiver Zerfall Isotropie durch: FZ = FL r ~ t2 Beeinflussung durch Magnetfeld bis etwa 106GeV besonders von Bedeutung (Isotropie) galaktische Supernovas wegen Timo Münzing Hauptseminarvortrag zur Ausbreitung der kosmischen Strahlung

12 für die Ausbreitung der
Beschreibung für die Ausbreitung der kosmischen Strahlung Timo Münzing Hauptseminarvortrag zur Ausbreitung der kosmischen Strahlung

13 Vorstellung unserer Galaxis
- Dichte größtenteils in der galaktischen Scheibe zentriert Radius ~ 15kpc Höhe ~300pc Radius des Halo ~ 2-4kpc Timo Münzing Hauptseminarvortrag zur Ausbreitung der kosmischen Strahlung

14 Hauptseminarvortrag zur Ausbreitung der kosmischen Strahlung
Transportgleichung - Aufstellen einer allgemeinen Gleichung Differentialgleichung mit N(E,x,t) Was beinhaltet eine solche Gleichung? Timo Münzing Hauptseminarvortrag zur Ausbreitung der kosmischen Strahlung

15 Hauptseminarvortrag zur Ausbreitung der kosmischen Strahlung
Transportgleichung Timo Münzing Hauptseminarvortrag zur Ausbreitung der kosmischen Strahlung

16 Hauptseminarvortrag zur Ausbreitung der kosmischen Strahlung
Transportgleichung - Diffusionsterm Timo Münzing Hauptseminarvortrag zur Ausbreitung der kosmischen Strahlung

17 Hauptseminarvortrag zur Ausbreitung der kosmischen Strahlung
Transportgleichung - Diffusionsterm - Energiegewinne/-verluste (Beschleunigung/Ionisation) Timo Münzing Hauptseminarvortrag zur Ausbreitung der kosmischen Strahlung

18 Hauptseminarvortrag zur Ausbreitung der kosmischen Strahlung
Transportgleichung - Diffusionsterm - Energiegewinne/-verluste (Beschleunigung/Ionisation) - Konvektion Timo Münzing Hauptseminarvortrag zur Ausbreitung der kosmischen Strahlung

19 Hauptseminarvortrag zur Ausbreitung der kosmischen Strahlung
Transportgleichung - Diffusionsterm - Energiegewinne/-verluste (Beschleunigung/Ionisation) - Konvektion - Quellterm Timo Münzing Hauptseminarvortrag zur Ausbreitung der kosmischen Strahlung

20 Hauptseminarvortrag zur Ausbreitung der kosmischen Strahlung
Transportgleichung - Diffusionsterm - Energiegewinne/-verluste (Beschleunigung/Ionisation) - Konvektion - Quellterm - Verlust durch Kollisionen und Zerfall Timo Münzing Hauptseminarvortrag zur Ausbreitung der kosmischen Strahlung

21 Hauptseminarvortrag zur Ausbreitung der kosmischen Strahlung
Transportgleichung - Diffusionsterm - Energiegewinne/-verluste (Beschleunigung/Ionisation) - Konvektion - Quellterm - Verlust durch Kollisionen und Zerfall - Spallation Timo Münzing Hauptseminarvortrag zur Ausbreitung der kosmischen Strahlung

22 Hauptseminarvortrag zur Ausbreitung der kosmischen Strahlung
Transportgleichung - Diffusionsterm - Energiegewinne/-verluste (Beschleunigung/Ionisation) - Konvektion - Quellterm - Verlust durch Kollisionen und Zerfall - Spallation Komplizierte, gekoppelte DGL Suche nach einfachen Modellen Timo Münzing Hauptseminarvortrag zur Ausbreitung der kosmischen Strahlung

23 Vereinfachende Modelle
- Leaky-Box-Modell Konstante Dichte / abgeschlossenes Volumen - Nested Leaky-Box-Modell kleine abgeschlossene Volumen um Quellen (beispielsweise Supernovas in dichten Wolken) - Closed Galaxy-Modell Spezialfall des Nested Leaky-Box-Modell / Lokaler Spiralarm der Galaxie ist eingeschlossenes Volumen - Diffusionsmodelle Diffusionsterm keine Konstante schwer zu lösen Timo Münzing Hauptseminarvortrag zur Ausbreitung der kosmischen Strahlung

24 Vereinfachende Modelle
- Leaky-Box-Modell Konstante Dichte / abgeschlossenes Volumen - Nested Leaky-Box-Modell kleine abgeschlossene Volumen um Quellen (beispielsweise Supernovas in dichten Wolken) - Closed Galaxy-Modell Spezialfall des Nested Leaky-Box-Modell / Lokaler Spiralarm der Galaxie ist eingeschlossenes Volumen - Diffusionsmodelle Diffusionsterm keine Konstante schwer zu lösen Timo Münzing Hauptseminarvortrag zur Ausbreitung der kosmischen Strahlung

25 Hauptseminarvortrag zur Ausbreitung der kosmischen Strahlung
Leaky-box-Modell - Konstante Dichte im betrachteten Volumen Teilchen werden am Rand reflektiert konstante (energieabhängige) Entweichswahrscheinlichkeit Timo Münzing Hauptseminarvortrag zur Ausbreitung der kosmischen Strahlung

26 Hauptseminarvortrag zur Ausbreitung der kosmischen Strahlung
Leaky-box-Modell Timo Münzing Hauptseminarvortrag zur Ausbreitung der kosmischen Strahlung

27 Hauptseminarvortrag zur Ausbreitung der kosmischen Strahlung
Leaky-box-Modell 1. Timo Münzing Hauptseminarvortrag zur Ausbreitung der kosmischen Strahlung

28 Hauptseminarvortrag zur Ausbreitung der kosmischen Strahlung
Leaky-box-Modell 1. 2. Vernachlässigung von Energiegwinnen/-verlusten Timo Münzing Hauptseminarvortrag zur Ausbreitung der kosmischen Strahlung

29 Hauptseminarvortrag zur Ausbreitung der kosmischen Strahlung
Leaky-box-Modell 1. 2. Vernachlässigung von Energiegwinnen/-verlusten 3. Vernachlässigung von Konvektion Timo Münzing Hauptseminarvortrag zur Ausbreitung der kosmischen Strahlung

30 Hauptseminarvortrag zur Ausbreitung der kosmischen Strahlung
Leaky-box-Modell 1. 2. Vernachlässigung von Energiegwinnen/-verlusten 3. Vernachlässigung von Konvektion 4. Konstante Dichte Timo Münzing Hauptseminarvortrag zur Ausbreitung der kosmischen Strahlung

31 Hauptseminarvortrag zur Ausbreitung der kosmischen Strahlung
Leaky-box-Modell 1. 2. Vernachlässigung von Energiegwinnen/-verlusten 3. Vernachlässigung von Konvektion 4. Konstante Dichte Timo Münzing Hauptseminarvortrag zur Ausbreitung der kosmischen Strahlung

32 Hauptseminarvortrag zur Ausbreitung der kosmischen Strahlung
Rekapitulation - Welcher Term steht wofür? Timo Münzing Hauptseminarvortrag zur Ausbreitung der kosmischen Strahlung

33 Hauptseminarvortrag zur Ausbreitung der kosmischen Strahlung
Rekapitulation - Welcher Term steht wofür? - Diffusionsterm Timo Münzing Hauptseminarvortrag zur Ausbreitung der kosmischen Strahlung

34 Hauptseminarvortrag zur Ausbreitung der kosmischen Strahlung
Rekapitulation - Welcher Term steht wofür? - Diffusionsterm - Energiegewinne/-verluste Timo Münzing Hauptseminarvortrag zur Ausbreitung der kosmischen Strahlung

35 Hauptseminarvortrag zur Ausbreitung der kosmischen Strahlung
Rekapitulation - Welcher Term steht wofür? - Diffusionsterm - Energiegewinne/-verluste - Konvektion Timo Münzing Hauptseminarvortrag zur Ausbreitung der kosmischen Strahlung

36 Hauptseminarvortrag zur Ausbreitung der kosmischen Strahlung
Rekapitulation - Welcher Term steht wofür? - Diffusionsterm - Energiegewinne/-verluste - Konvektion - Quellterm Timo Münzing Hauptseminarvortrag zur Ausbreitung der kosmischen Strahlung

37 Hauptseminarvortrag zur Ausbreitung der kosmischen Strahlung
Rekapitulation - Welcher Term steht wofür? - Diffusionsterm - Energiegewinne/-verluste - Konvektion - Quellterm - Kollisionen und Zerfall Timo Münzing Hauptseminarvortrag zur Ausbreitung der kosmischen Strahlung

38 Hauptseminarvortrag zur Ausbreitung der kosmischen Strahlung
Rekapitulation - Welcher Term steht wofür? - Diffusionsterm - Energiegewinne/-verluste - Konvektion - Quellterm - Kollisionen und Zerfall - Spallation Timo Münzing Hauptseminarvortrag zur Ausbreitung der kosmischen Strahlung

39 Hauptseminarvortrag zur Ausbreitung der kosmischen Strahlung
Rekapitulation - Welcher Term steht wofür? - Diffusionsterm - Energiegewinne/-verluste - Leaky Box Modell: - Konvektion - Quellterm - Kollisionen und Zerfall - Spallation Timo Münzing Hauptseminarvortrag zur Ausbreitung der kosmischen Strahlung

40 Hauptseminarvortrag zur Ausbreitung der kosmischen Strahlung
Rekapitulation - Welcher Term steht wofür? - Diffusionsterm - Energiegewinne/-verluste - Leaky Box Modell: - Konvektion - Quellterm - Kollisionen und Zerfall - Spallation Timo Münzing Hauptseminarvortrag zur Ausbreitung der kosmischen Strahlung

41 Hauptseminarvortrag zur Ausbreitung der kosmischen Strahlung
Spallation - „Zertrümmern“ von Primärteilchen führt zu Sekundärteilchen Timo Münzing Hauptseminarvortrag zur Ausbreitung der kosmischen Strahlung

42 Hauptseminarvortrag zur Ausbreitung der kosmischen Strahlung
Spallation - „Zertrümmern“ von Primärtermen führt zu Sekundärteilchen Timo Münzing Hauptseminarvortrag zur Ausbreitung der kosmischen Strahlung

43 Hauptseminarvortrag zur Ausbreitung der kosmischen Strahlung
Spallation - „Zertrümmern“ von Primärtermen führt zu Sekundärteilchen Timo Münzing Hauptseminarvortrag zur Ausbreitung der kosmischen Strahlung

44 Spallation - „Zertrümmern“ von Primärtermen führt zu Sekundärteilchen
wieso sind B, Be und Li so häufig? entstehen besonders oft bei der Spallation. Timo Münzing Hauptseminarvortrag zur Ausbreitung der kosmischen Strahlung

45 Cosmic Ray Clocks - Man kennt Zerfallszeit bestimmter Atome
- Man kennt Ursprungsmenge also auch Menge der Kerne, die noch messbar sein sollten Aus der Abweichung kann die Verbleibzeit in der Galaxie berechnet werden - wichtigstes Isotop: 10Be - Halbwertszeit: τ0 = 3,9*10 j 6 gemessen wird γ*τ0 (relativistisch) 10 - Zerfall in B Timo Münzing Hauptseminarvortrag zur Ausbreitung der kosmischen Strahlung

46 Hauptseminarvortrag zur Ausbreitung der kosmischen Strahlung
Cosmic Ray Clocks - Beschreibung mit einer Gleichung Timo Münzing Hauptseminarvortrag zur Ausbreitung der kosmischen Strahlung

47 Hauptseminarvortrag zur Ausbreitung der kosmischen Strahlung
Cosmic Ray Clocks - Beschreibung mit einer Gleichung - Vernachlässigung von Energiegewinnen/-verlusten, Konvektion und Stößen Timo Münzing Hauptseminarvortrag zur Ausbreitung der kosmischen Strahlung

48 Hauptseminarvortrag zur Ausbreitung der kosmischen Strahlung
Cosmic Ray Clocks - Beschreibung mit einer Gleichung - Vernachlässigung von Energiegewinnen/-verlusten, Konvektion und Stößen Timo Münzing Hauptseminarvortrag zur Ausbreitung der kosmischen Strahlung

49 Hauptseminarvortrag zur Ausbreitung der kosmischen Strahlung
Cosmic Ray Clocks - Beschreibung mit einer Gleichung - Vernachlässigung von Energiegewinnen/-verlusten, Konvektion und Stößen - Verluste durch Spallation: Timo Münzing Hauptseminarvortrag zur Ausbreitung der kosmischen Strahlung

50 Hauptseminarvortrag zur Ausbreitung der kosmischen Strahlung
Cosmic Ray Clocks - Beschreibung mit einer Gleichung - Vernachlässigung von Energiegewinnen/-verlusten, Konvektion und Stößen - Verluste durch Spallation: Timo Münzing Hauptseminarvortrag zur Ausbreitung der kosmischen Strahlung

51 Hauptseminarvortrag zur Ausbreitung der kosmischen Strahlung
Cosmic Ray Clocks - Beschreibung mit einer Gleichung - Vernachlässigung von Energiegewinnen/-verlusten, Konvektion und Stößen - Verluste durch Spallation: Timo Münzing Hauptseminarvortrag zur Ausbreitung der kosmischen Strahlung

52 Hauptseminarvortrag zur Ausbreitung der kosmischen Strahlung
Cosmic Ray Clocks - leichte Elemente entstehen hauptsächlich durch Spallation Quellterm kann als Rate Ci geschrieben werden - Mit dem Leaky-Box-Model folgt: Timo Münzing Hauptseminarvortrag zur Ausbreitung der kosmischen Strahlung

53 Hauptseminarvortrag zur Ausbreitung der kosmischen Strahlung
Cosmic Ray Clocks - Ist das Element radioaktiv, so muss noch der Zerfallsterm ergänzt werden ( ist die Halbwertszeit) - Verhältnis zwischen stabilen und instabilen Teilchen aufstellbar Timo Münzing Hauptseminarvortrag zur Ausbreitung der kosmischen Strahlung

54 Hauptseminarvortrag zur Ausbreitung der kosmischen Strahlung
Cosmic Ray Clocks - Instabiles Teilchen (z.B. Be): 10 10 - Stabiles Teilchen (z.B. B): - Verhältnis: - Wir wissen: durch Messung des Verhältnisses sind N und ti berechenbar! Timo Münzing Hauptseminarvortrag zur Ausbreitung der kosmischen Strahlung

55 Hauptseminarvortrag zur Ausbreitung der kosmischen Strahlung
RUNJOB - Experiment - Rate fällt mit zunehmender Energie Hochenergetische Teilchen haben kürzere Verweilzeit Timo Münzing Hauptseminarvortrag zur Ausbreitung der kosmischen Strahlung

56 Hauptseminarvortrag zur Ausbreitung der kosmischen Strahlung
Fazit - Ablenkung in erster Linie durch Magnetfelder Niederenergetische Strahlung aus galaktischen Quellen - Höchstenergetische Strahlung wird allerdings kaum abgelenkt Extragalaktische Quellen - Transportgleichung - Leaky Box Model - Cosmic Ray Clocks Timo Münzing Hauptseminarvortrag zur Ausbreitung der kosmischen Strahlung

57 Hauptseminarvortrag zur Ausbreitung der kosmischen Strahlung
Quellen - High Energy Astrophysics: Volume 1, Malcom S. Longair - High Energy Astrophysics: Volume 2, Malcom S. Longair - Cosmic rays and particles, Thomas K. Gaisser - Teilchenastrophysik, H.V. Klapdor-Kleingrothaus/K.Zuber - - - 29th International Cosmic Ray Conference Pune (2005) 00, Timo Münzing Hauptseminarvortrag zur Ausbreitung der kosmischen Strahlung

58 Danke für eure Aufmerksamkeit!
„Es gibt eine Theorie, die besagt, dass wenn jemals irgendwer genau herausfindet, wozu das Universum da ist und warum es da ist, dann verschwindet es auf der Stelle und wird durch etwas noch Bizarreres und Unbegreiflicheres ersetzt.“ „Es gibt eine andere Theorie, nach der das schon längst passiert ist.“ Douglas Adams, Per Anhalter durch die Galaxie