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03.07.2009, Nikolaus Heners 1. Merkmale der kosmischen Strahlung Spektrum Zusammensetzung Energiebetrachtung Astrophysikalische Quellen kosmischer Strahlung.

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1 , Nikolaus Heners 1

2 Merkmale der kosmischen Strahlung Spektrum Zusammensetzung Energiebetrachtung Astrophysikalische Quellen kosmischer Strahlung Leistungsfähigkeit möglicher Quellen Fermi-Beschleunigung Kandidaten für UHECR Sonnenfleckenpaare Pulsare Doppelsterne Supernovaexplosionen Supernovae vom Typ 1a Modelle mit Hochleistungsrechnern Häufigkeit Offene Fragen 2

3 1 Teilchen pro km 2 und Jahrhundert ! GZK-CUTOFF 1000 Teilchen pro s und m 2 1 Teilchen pro m 2 und Jahr Keine thermische Beschleunigung [2] 3 Knie: 5*10 15 eV Knöchel: 3*10 18 eV 2.Knie: 3*10 17 eV

4 4 [2] Knöchel: 3*10 18 eV 2.Knie: 3*10 17 eV Knie: 5*10 15 eV

5 Alle Elemente des Periodensystems Verteilung des Sonnensystems bis auf einige Ausnahmen (Spallation: Zerstörung von Atomkernen durch Kollisionen mit anderen Teilchen) Eisen Leichte Elemente Blei [2] 5

6 -> 2-3 Supernovae pro Jahrhundert und Galaxie liefern genug Energie 6

7 Merkmale der kosmischen Strahlung Spektrum Zusammensetzung Energiebetrachtung Astrophysikalische Quellen kosmischer Strahlung Leistungsfähigkeit möglicher Quellen Fermi-Beschleunigung Kandidaten für UHECR Sonnenfleckenpaare Pulsare Doppelsterne Supernovaexplosionen Supernovae vom Typ 1a Häufigkeit Modelle mit Hochleistungsrechnern Offene Fragen 7

8 Elektrostatische oder elektromagnetische Komponente? Bahn des Teilchens in der Beschleunigungsregion durch Magnetfelder Maximale Energie 8 Relativistische Bewegung der Quelle Klassischer Larmor-Radius

9 [1] 9

10 Stochastische Beschleunigung: Wechselwirkung mit wandernden magnetischen Wolken Relativistisches Teilchen mit Impuls p trifft senkrecht auf wandernde magnetische Wolke:. Elastische Stöße, Energie nach Verlassen der Wolke via LT 10

11 Stochastische Beschleunigung: Wechselwirkung mit wandernden magnetischen Wolken Relative Energieänderung (Einfallsrichtung!) Winkelabhängigkeit: Summation über alle möglichen Winkel 11

12 Stochastische Beschleunigung: Wechselwirkung mit wandernden magnetischen Wolken Relativistisches Teilchen mit Impuls p trifft senkrecht auf wandernde magnetische Wolke:. Elastische Stöße, Energie nach Verlassen der Wolke via LT Relative Energieänderung (Einfallsrichtung!) Winkelabhängigkeit: Summation über alle möglichen Winkel Nach n Begegnungen. Teilchen haben eine Wahrscheinlichkeit P, die Quelle zu verlassen... 12

13 Stochastische Beschleunigung: Wechselwirkung mit wandernden magnetischen Wolken Relativistisches Teilchen mit Impuls p trifft senkrecht auf wandernde magnetische Wolke:. Elastische Stöße, Energie nach Verlassen der Wolke via LT Relative Energieänderung (Einfallsrichtung!) Winkelabhängigkeit: Summation über alle möglichen Winkel Nach n Begegnungen. Teilchen haben eine Wahrscheinlichkeit P, die Quelle zu verlassen... Man erhält ein Potenzspektrum. Die Geschwindigkeiten der Wolken sind jedoch zu gering. Der Prozess zweiter Ordnung liefert keine Energien im erhofften Bereich. 13

14 Beschleunigung durch astrophysikalische Schockfronten (shock waves) Radiale Ausdehnungen >> Gyroradius (Schockfront als Ebene) Isotrope Verteilung der ISM vor Ankunft Teilchen gelangen hinter die Schockwelle 14

15 Beschleunigung durch astrophysikalische Schockfronten (shock waves) Radiale Ausdehnungen >> Gyroradius (Schockfront als Ebene) Isotrope Verteilung der ISM vor Ankunft Teilchen gelangen hinter die Schockwelle Streuung: Isotrope Verteilung im Schocksystem Elastische Kopf-an- Kopf Kollisionen (Nur Energiegewinn) Summation über alle Winkel:... 15

16 Beschleunigung durch astrophysikalische Stoßwellen (shock waves) Stoßwellengeschwindig keit >> mittlere Geschwindigkeit magnetischer Wolken lineare Abhängigkeit erhoffte Energien durch Fermi-Prozess 1.Ordnung Ausmaße der Quellen Verluste: Synchrotronstrahlung Altersbedingter Cutoff (Schockgeschw.: 3000 km/s): 16 Je älter ein SNR ist, desto größer ist die maximal vermittelbare Energie [4]

17 [1] 17

18 ultra-high energy cosmic rays 1 Teilchen pro m 2 und Jahr Keine thermische Beschleunigung [2] 18

19 [3] 19

20 Beiträge bis Bruch bei (GZK Cutoff), wenige Radiogalaxien in dieser Region Synchrotronverluste für hochenergetische Protonen bei B>100G Jets, Hot Spots + Extended Lobes als mögliche Quellregionen bei hoher Effizienz des Fermimechanismus 20

21 Rotierende, magnetische Neutronensterne Hohe Dichte nach dem Gravitationskollaps => starke E-Felder Crab Pulsar, Chandra X- Ray 21 [4]

22 Systeme aus einem Pulsar und einem Neutronenstern Fluss geladener Teilchen (Akkretion) Starke Felder 22

23 1 Teilchen pro m 2 und Jahr Keine thermische Beschleunigung [2] 23

24 Sonnenflecken entgegengesetzter Polarität Induziertes Feld bei Annäherung (->10 V/m) Geringe Atmosphärendichte Energien im GeV Bereich 24

25 Merkmale der kosmischen Strahlung Spektrum Zusammensetzung Energiebetrachtung Astrophysikalische Quellen kosmischer Strahlung Leistungsfähigkeit möglicher Quellen Fermi-Beschleunigung Kandidaten für UHECR Sonnenfleckenpaare Pulsare Doppelsterne Supernovaexplosionen Supernovae vom Typ 1a Häufigkeit Modelle mit Hochleistungsrechnern Offene Fragen 25

26 Supernova Typ 1a Hubble Space Telescope richtet den Blick auf SN 1994d 26 Kandidaten ohne Wasserstoff- und Heliumlinien: schwarze Löcher weiße Zwerge Neutronensterne Wolf-Rayet Sterne

27 Supernova Typ 1a Hubble Space Telescope richtet den Blick auf SN 1994d 27 Kandidaten ohne Wasserstoff- und Heliumlinien: schwarze Löcher weiße Zwerge Neutronensterne Wolf-Rayet Sterne Kompakt

28 Maximale Magnitude Charakteristische Entwicklung der Leuchtkraft Nickel-56 -> Cobalt-56 -> Eisen-56 [5] 28

29 Maximale Magnitude Charakteristische Entwicklung der Leuchtkraft Nickel-56 -> Cobalt-56 -> Eisen-56 SN 1a Explosionen müssen aus weißen Zwergen hervorgehen und instabile Nickelkerne erzeugen [4] 29

30 DoppelsternsystemeRoche-GrenzeHauptstern altert Entwicklung des Begleitsterns Akkretionsscheibe um das zentrale Objekt Novae (äußere Wasserstoffschichten ) Novae: Massenabstoss wiederkehrende Emission geringer Bruchteil der Gesamtenergie wird emittiert vergleichbare kinetische Energie der abgestoßenen Hülle 30

31 Steigende Dichte, sinkendes Volumen Entartetes Elektronengas Chandrasekhar-Grenze 400 Millionen Grad: Kohlenstoffbrennen im entarteten Zustand (kein Thermostat!) Chandrasekhar Grenzmasse 31 Der Gasdruck kann dem Gravitationsdruck nicht mehr genug Widerstand leisten. [4]

32 ROTER RIESE Gravitations- kontraktion Erhitztes Sternengas Druck und Temperatur steigen Expansion Abkühlen Thermo- nukleare Aktivität beruhigt sich WEIßER ZWERG Gravitations- kontraktion Erhitztes Sternengas Höhere Temperatur, gleicher Druck Steigende Rate der Kernreaktion Temperatur steigt Noch mehr Kernreaktion en 32

33 Steigende Dichte, sinkendes Volumen Entartetes Elektronengas Chandrasekhar-Grenze 400 Millionen Grad: Kohlenstoffbrennen im entarteten Zustand (kein Thermostat) Zünden aller Brennstoffe Flammenfront Chandrasekhar Grenzmasse 33 DSMintakaMayer15

34 Deflagration ( ) Flamme unter Schallgeschwindigkeit, Konvektion Detonation ( ) Ausbreitung über Schallgeschwindigkeit (Schockfrontszenario), fast vollständige Fusion in Ni-56 Synthetische Spektra in guter Näherung [5] 34

35 t=0s 35 Deflagration (Hillebrandt) Deflagrations modell

36 t=0.3s 36

37 t=0.6s 37

38 t=2s 38

39 TYP 1A Alle Galaxientypen, auch in Halos von Spiralgalaxien TYP 2/ 1B,1C Nicht in elliptischen Galaxien, sondern nur in Spiral- und irregulären Galaxien, vornehmlich zu den Armen hin 39 Elliptische Galaxie NGC 1316 (Hubble Space Telescope)

40 Elementhäufigkeiten (Unterschiede trotz ähnlicher Lichtkurven, Photometrie: kein Kohlenstoff nach der Explosion (WD!)) Wie stark wird das Licht einer Supernova durch die Galaxie, in der sie sich befindet, abgeschwächt? Computersimulation (Schichtung vs. Durchmischung) Merger Szenarien … 40

41 Die maximal mögliche kinetische Energie, die eine Quelle vermitteln kann, ist durch deren Radius R und Magnetfeldstärke B gegeben. Kandidaten für UHECR Quellregionen sind u.a. AGNs, GRBs und Pulsare. Dabei liefert der Fermimechanismus 1.Ordnung ein Modell, das Beschleunigungen zu hohen Energien gewährleisten kann. Typ 1a Supernovae zeichnen sich durch fehlende Wasserstoff- und Heliumlinien aus. Im Gegensatz zu allen anderen Typen geht man davon aus, dass thermonukleare Kontraktion vorliegt. Man vermutet, dass das Knie mit der bei Supernovaexplosionen maximal verfügbaren Energie in Verbindung steht. 41

42 [1] Hillas: The Origin of Ultra-High-Energy Cosmic Rays, Ann. Rev. Astron. Astrophys : [2] Blümer et al., Cosmic Rays from the Knee to the Highest Energies, arXiv: v1 [3] Pelletier: Fermi Acceleration of Astroparticles [4] Drexlin: Skript zur Astroteilchenphysik 2 [5] Hillebrandt, Röpke: Supernovae vom Typ 1a, Sterne und Weltraum 05/


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