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Seminarvortrag Seminarvortrag - Ausbreitung Kosmischer Strahlung "Zwei Dinge sind unendlich: Das Universum und die menschliche Dummheit. Aber beim Universum.

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Präsentation zum Thema: "Seminarvortrag Seminarvortrag - Ausbreitung Kosmischer Strahlung "Zwei Dinge sind unendlich: Das Universum und die menschliche Dummheit. Aber beim Universum."—  Präsentation transkript:

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

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

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

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

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

7 Beispielrechnung Magnetfelder Hauptseminarvortrag zur Ausbreitung der kosmischen Strahlung 7Timo Münzing

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

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

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

11 Rekapitulation - Beeinflussung der Strahlung durch: Hauptseminarvortrag zur Ausbreitung der kosmischen Strahlung 11Timo Münzing - Magnetfelder - Energiegewinne/-verluste - Kollisionen - radioaktiver Zerfall - Beeinflussung durch Magnetfeld bis etwa 10 6 GeV besonders von Bedeutung (Isotropie) - Isotropie durch: - galaktische Supernovas wegen r ~ t 2 F Z = F L

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

13 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

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

15 Hauptseminarvortrag zur Ausbreitung der kosmischen Strahlung 15 Transportgleichung Timo Münzing

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

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

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

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

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

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

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

23 Hauptseminarvortrag zur Ausbreitung der kosmischen Strahlung 23 Vereinfachende Modelle - Leaky-Box-Modell - 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 Konstante Dichte / abgeschlossenes Volumen Timo Münzing

24 Hauptseminarvortrag zur Ausbreitung der kosmischen Strahlung 24 Vereinfachende Modelle - Leaky-Box-Modell - 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 Konstante Dichte / abgeschlossenes Volumen Timo Münzing

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

45 Hauptseminarvortrag zur Ausbreitung der kosmischen Strahlung 45 Cosmic Ray Clocks Timo Münzing - 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: 10 Be - Halbwertszeit: τ 0 = 3,9*10 j 6 gemessen wird γ * τ 0 (relativistisch) - Zerfall in B 10

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

57 Hauptseminarvortrag zur Ausbreitung der kosmischen Strahlung 57 Quellen Timo Münzing - 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 th International Cosmic Ray Conference Pune (2005) 00,

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


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