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1 Kosmische Strahlung auf der Erde Spektrum Zusammensetzung direkte Beobachtungsmethoden indirekte Beobachtungemethoden Magnetfelder (HE) Photon- und Neutrinodetektion.

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Präsentation zum Thema: "1 Kosmische Strahlung auf der Erde Spektrum Zusammensetzung direkte Beobachtungsmethoden indirekte Beobachtungemethoden Magnetfelder (HE) Photon- und Neutrinodetektion."—  Präsentation transkript:

1 1 Kosmische Strahlung auf der Erde Spektrum Zusammensetzung direkte Beobachtungsmethoden indirekte Beobachtungemethoden Magnetfelder (HE) Photon- und Neutrinodetektion

2 2 Luftschauer Experimente

3 3 KASKCADE (Knie) 200m x 200m (700m x 700m) Detektoren mit 13m Abstand 16 Hütten bilden einen unabhängigen Cluster Elektronikstation im Zentrum eines Clusters Zentraler Detektor in der Mitte des Feldes eV Streamertunnel für Myonen KArlsruhe Shower Core and Array DEtector-Grande

4 4 KASCADE Grande

5 5 AUGER (10 20 eV) 1600 autarken, solarbetriebenden Oberflächendetektoren (SD) mit 1500 m Abstand 4x6 Floureszenz Detektoren (FD) 3000 km 2 Detektorfeld 1450 m üNN Argentinien (Pampa)

6 6 Atmosphärische Zustandsgrößen molekularen Eigenschaften der Atmosphäre Temperatur Druck Dichte atmosphärische Tiefe relative Luftfeuchtigkeit Heliumgefüllte Ballons bei 25 km üNN 1m 3 Volumen Fallschirm zum Landen Vollautomatische Sensoren und kleine Radiosonden Speicherung der Daten alle 3-4s (8s max) LIDAR Technik zur Bestimmung der Lichtstreuung vom Schauer zum Teleskop

7 7 Elemente Zusammensetzung

8 8 Kerne mit höherem Z haben bei gleicher Energy kleineren Gyroradius => KS bei hohen Energien besteht aus schwereren Kernen

9 9 Photonen und Neutrinos Photonenlimits bei Energien 10, 20 und 40 EeV

10 10 Magnetfelder im Universum Erdmagnetfeld Magnetfeld der Sonne Interplanetares Magnetfeld Galaktisches Magnetfeld Extragalaktische Magnetfelder Galaxienhaufen Galaxien-Superhaufen Voids ? Astronomische Objekte (Effizienz der Teilchenbeschleunigung)

11 11 Erdmagnetfeld Dipolfeld ähnlich wie Stabmagnet Dipolachse und Erdachse leicht verschoben Pole wandern ca. 30 km pro Jahr Ursprung in rotierendem Eisenkern Äquator: 30 T oder 0.3 Gauß Mitteleuropa: 48 T oder 0.48 Gauß

12 12 Erdmagnetfeld - Sonnenwind Erdmagnetfeld reflektiert Sonnenwind Schockfront: Sonnenwind wird vom Erdmagnetfeld reflektiert Zwischen Schockfront und Erde liegt die Magnetosphäre

13 13 Sonnenwind Kosmische Strahlung von der Sonne Niederenergetische Kosmische Strahlung Ionisiert Atmosphäre Sonnenwind wird komplett vom Erdmagnetfeld reflektiert Van Allen Gürtel: Hohe Konzentration an geladenen Teilchen im Magnetfeld der Erde Aurora Borealis (Nordlichter) Aurora Australis (Südlichter)

14 14 Geladene Teilchen im Magnetfeld Gyroradius m] Ladung ze Magnetfeld B [T] Impuls P 300 MeV: 1 m (1T) eV: 30kpc (3x T) Magnetische Steifigkeit R [V]

15 15 Kosmische Strahlung (<10 4 GeV) Abschwächung bei E < 1GeV (10 3 MeV) Effekt variiert mit Sonnenzyklus: Solare Modulation (~11Jahre) Steifigkeit (Rigidity) R = pc/ze = (A/z) (m p vc/e) p = Am p v rel. Dreierimpuls z Ladung A Massenzahl (A/z) ~ 2 Variiert mit Beobachtungsort

16 16 Erdmagnetfeld als Dipol Ideales Dipolfeld Dipolmoment p m und = TmA -1 Achsen um ca. 11.5° verdreht Stormer Radius r s Kreisbahnen um Dipolachse in Äquatorebene

17 17 Ablenkung im Erdmagnetfeld Positiv geladene Teilchen am Nordpol im Uhrzeigersinn auf Kreisbahn, von Osten nach Westen Für r s =r E (r E =6.38x10 6 m) Positives Teilchen von Osten am Äquator braucht mindestens Steifigkeit R s * um Erde zu erreichen

18 18 Allgemeine Formel Zenithwinkel (Nadir =180°) magnetische Breitengrad Azimutwinkel =0° Bewegung nach magnetisch Süden =90° Bewegung nach magnetisch Westen =270° Bewegung nach magnetisch Osten

19 19 Ost-West Effekt Für Teilchen aus dem Westen ist Cut-off kleiner für pos. KS Teilchen kommt horizontal am Äquator aus dem Westen 10.2 GV Teilchen kommt horizontal am Äquator aus dem Osten 59.6 GV

20 20 Rigidity Cut-off

21 21 Magnetfeld der Sonne Ruhige Sonne: Dipolfeld Kehrt sich alle 22 Jahre um (11 Jahre Zyklus) 100 T oder 1 Gauß Nur 0.01 nT in Erdnähe (Abfall mit 1/r 3 ) Gemessen wird aber ~nT durch den Sonnenwind Aktive Sonne: Sonnenflecken: (0.4 T oder 4000 Gauss, Protuberanzen: Magnetschleifen in den Gas und Teilchen festgehalten werden

22 22 Interplanetares Magnetfeld ~ nT (10 -9 T = Gauß) Ursache ist der Sonnenwind Elektrisch Leitendes Plasma führt Magnetfeld mit sich Sonne wirkt wie ein MHD-Dynamo Schockfront begrenzt Heliosphäre

23 23 Galaktische(s) Magnetfeld(er) ~3x T = 3 G Halo (30kpc) Scheibe Magnetfeld folgt den Spiralarmen Ursprung noch nicht geklärt HI und HII Wolken 10 mal stärker Molekülwolken 100 mal stärker Zeeman Aufspaltung von OH Masern nur T in sehr kleinen Gebieten

24 24 Beobachtung von galaktischen Magnetfeldern MethodeAnzeigendes Medium Aussage über a) Polarisation des Sternenlicht StaubBsBs b) Zeeman-Effekt der 21cm Linie Neutraler WasserstoffBpBp c) SynchrotronstrahlungRelativistische Elektronen BsBs d) Faraday-DrehungThermische Elektronen BpBp Unsöld-Baschek Der neue Kosmos

25 25 Polarisation des Sternenlichts Staub absorbiert Sternenlicht Reemission als polarisierte Wärmestrahlung Staubteilchen in der Galaxie werden durch Magnetfeld ausgerichtet

26 26 Zeemaneffekt Spektroskopische Bestimmung des Magnetfeldstärke Polarisation, Aufspaltung oder Verbreiterung der Spektrallinien Homogenes Feld mit etwa <10 Tesla spaltet Energieniveaus auf (Quantenzahlen L, S und J) Russel-Sanders-Kopplung Effekt ist proportional zu B (2J+1) äquidistante Energiezustände mit magnetischer Quantenzahl – J Verschiebung um 1pm =10 -3 nm (Sonnenfleck)

27 27 Synchrotronstrahlung B Magnetfeldstärke n r Dichte der relativistischen Elektronen s ~ 2.7 Exponent eines Potenzgesetzes der Elektronenverteilung Beobachtung im Radiobereich bei < 40GHz, wegen Abfall mit 1/ Abschätzung des mag. Energiedichte durch Äquipartition: Energiedichte der rel. Elektronen+Protonen ist gleich der Energiedichte des Magnetfeldes

28 28 Synchrotronbeobachtungen Gesamte Radiostrahlung (Konturlinien) polarisierte Radiostrahlung (Striche) Galaxie M 51 gemessen mit den Radioteleskopen Effelsberg und VLA bei 3.6-cm- Wellenlänge. Das optische Bild im Hintergrund vom Hubble Space Telescope der NASA/ESA

29 29 Faraday-Drehung Drehung der Polarisationsebene Drehwinkel [rad] Wellenlänge [m] Elektronendichte n e [m -3 ] Rotationsmaß RM [rad m -2 ] longitudinale Komponente B p [T] Entfernung zur Radioquelle L [pc] Extragalaktische Objekte bis zu 300 rad m -2

30 30 Extragalaktische Magnetfelder Astronomische Objekte (Aktive Galaxienkerne aller Typen) Galaxienhaufen Galaxien-Superhaufen Voids ?

31 31 Magnetfelder im Universum


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