Astroteilchenphysik Kosmische Strahlung auf der Erde Geladene Komponente (Kosmische Strahlung) Photonen (>keV) Neutrinos Kosmische Strahlung in unserer Galaxie Das interstellare Medium Sternentstehung und –entwicklung Wechselwirkung von rel. Elektronen und Protonen Transport kosmischer Strahlung Ursprung der leichten Elemente „Confinement“ Volumen und kosmische Uhren

Kosmische Strahlung in unserer Galaxie Das Interstellare Medium Sternentstehung und -entwicklung Wechselwirkung von KS

Ursprung Kosmischer Strahlung (KS) Entstehung hochenergetischer Teilchen (Kerne, Elektronen, Photonen, Neutrinos…) Beschleunigung von KS Galaktische Beschleuniger (zB Supernova) Extragalaktische Beschleuniger (zB Gamma Ray Bursts, GRB; Aktive Galaxien Kerne, AGN) Wechselwirkung (WW) von KS auf dem Weg zur Erde WW in der Quelle WW zwischen den Galaxien WW in der Galaxie (Milchstrasse) WW im Sonnensystem WW in der Atmosphäre Wichtige WW Gas (Molekülen) Staub Photonenfeldern Magnetfeldern

Beobachtbarkeit von elektromagnetischer Strahlung

Wechselwirkung in unserer Galaxie Gas (direkt und indirekt) Proton-Proton (Kern) WW Ionisation Anregung von Gasatomen Fragmentation von schweren Kernen CoulombWW mit ionisiertem Gas Absorption von ionisierenden Photonen Photonenemission (s.u.) Staub (indirekt) Rötung von Sternenlicht „Verdeckt“ Sterne im optischen Photonenfelder (direkt) Photon-Proton (Kern) WW Photon-Photon Paarerzeugung Sternen (optischen und nah Infraroten ~0.1-1mm) Staub (nah und fernes Infrarot (~1-100mm) Gas (Linien und kont. Emission UV bis Infrarot) Synchrotronemission von rel. Elektronen (Radiobereich) Magnetfelder (direkt) Synchrotronverluste Ablenkung Diffusion Abhängig vom Weg des Teilchens !

Energiedichten im interstellaren Medium Kosmische Strahlung 0.7 eV cm-3 „Thermische Strahlung“ (gesamtes Sternenlicht) 0.3 eV cm-3 Kinetische Energie der interstellaren Materie (106 Protonen m-3 mit 7kms-1) 0.2 eV cm-3 Galaktisches Magnetfeld B2/(2m0) (mit B = 2x10-10T) 0.1 eV cm-3

Milchstrasse

Dynamik in der Galaxie Gas ist „gefangen“ in der Galaktischen Ebene Gas bewegt sich kreisförmig um das Galaktische Zentrum Differentielle Rotation der Scheibe der Galaxie Sonne: 220 km s-1 Beobachtet vrot~konst. Festkörper vrot~r Kepler Orbit vrot~r-1/2 DARK MATTER

Spirale – aber wie ? Orionarm

Dichte – Wellen – Theorie Sterne zirkulieren auf elliptischen Orbits Hauptachsen sind parallel  Balken (im Innern von Galaxien) Hauptachsen sind Funktion von R  Spiralstruktur

Simulation zur Spiralstruktur Dichte Wellen in der Sternendichte (Elliptische Orbits) Stabilität einer Scheibe aus Sternen bei radialen Störungen

Galaktische Koordinaten

Zwischen den Sternen

Teil der Galaktischen Ebene beobachtet mit H.E.S.S.

Interstellare Materie (ISM) Gas 99% Wasserstoff 90% Helium 10% Metalle Staub 1%

Interstellarer Staub Dunkelwolken - Dunkelnebel Interstellare Extinktion und Rötung Polarisation von Sternenlicht Eigenschaften der Staubkörner Größe Temperatur Eigenstrahlung

Dunkelwolken - Dunkelnebel Entfernung 500-600 Lj Südwestlich vom „Kreuz des Südens“ Kopf des „Emus“ ~90% des Lichts wird absorbiert Konzentration entlang der galaktischen Ebene („Teilung der Milchstrasse“) 10%-15% der Masse in der galaktischen Ebene Kohlensack

Effekte des Staubs Absorption Streuung Thermische Emission Staub wird von Sternenlicht erhitzt Temperatur T Streuung Polarisation Andere Wellenlänge, da Streuung für manche Wellenlängen effizienter Thermische Emission Staubt strahlt wie ein Schwarzkörper

Extinktion – E(B-V) Farbexess: E(X-Y) = (X-Y)-(X-Y)0 B = 440 nm (blau) 0.44 mm, 2.27 V = 548 nm (visuell) 0.548 mm, 1.82 tl ~ Av = 3.1 E(B-V) (im Visuellen) Milchstrasse E(B-V)~0.05

Staubkörner 1 pro 100m3 Entstehung als „Asche“ in Supernova Ausbrüchen Durchmesser D~l D gleiche Größenordnung wie absorbiertes und gestreutes Licht (~100 nm) Für D~0.6mm und 3000 kg m-3 ergibt sich Staubkornmasse von 3x10-16kg Chemische Zusammensetzung: Annahme: Fehlende Elemente im interstellaren Gas im Vergleich zur solaren Verteilung sind in Staub „gebunden“ Dissoziation bei T>1000K Blau Kohlenstoff Gelb Wasserstoff Rot Stickstoff

PAHs (deutsch: PAKs) Polyzyklische- Aromatische- Kohlenwasserstoffe bestehen aus Benzolringen insgesamt 10-100 Kohlenstoffatome (blau) Breite, diffuse Linienemission Blau Kohlenstoff Gelb Wasserstoff Rot Stickstoff

Emission in unserer Galaxy Temperatur ~400K(!) (PAH) ~70K (warmer Staub) ~20K (kalter Staub)

Interstellares Gas Moleküle Neutrales Gas (HI Regionen) Linienemission (H2, CO,…) Neutrales Gas (HI Regionen) UV Absorptionslinien 21cm Linie Ionisiertes Gas (HII Regionen) Ha Linienemission (leuchtende Gasnebel) Heißes koronales Gas

Molekülwolken Molekularer Wasserstoff H2, CO, CS, HCN, … (Beimischungen 0.001%) Moleküllinienemission Staubemission Dichteste Regionen (>1% Volumen und 40% der Gesamtmasse der Milchstrasse) Höchste Konzentration als Ring 3.5 – 7.5 kpc (Sonne 8,5 kpc) Höhe 50-75 pc Verteilung in den Spiralarmen Blausäure HCN, organische Verbindungen und Alkohole Molekülwolke, bestehend aus dichtem Gas und Staub. Abgebrochen vom Carina Nebel. Ausdehnung ca 2 Lichtjahre.

Riesen-Molekülwolken Riesen-Molekülwolken (104 -106 Ms) Ausdehung bis zu 1-200 pc (3-600 Lj) Dichte Kerne der Wolken sind Orte der Sternentstehung Temperaturen 10K -30K (kühl) Bernard 68

Wichtige Moleküle H2 und CO H2 hat nur Linien im UV (stark absorbiert) H2 Rotationsniveaus erst bei hohen Temperaturen möglich (20K alle e im Grundzustand) H2 ist symmetrisch  keine Dipolstrahlung Relation CO/H2 ~10-4 CO Verteilung variiert nur wenig Beobachtung von CO -> Indirekte Aussage über H2 Verteilung CO emittiert Dipolstrahlung 12C16O (J=1 nach J=0 Angeregtes Rotationsniveau) l0 = 2.60 mm oder 115.27 GHz

Molekülbildung Dichten sind zu kleine für thermodynamisches Gleichgewicht Protonen aus kosmischer Strahlung ionisieren Wolken teilweise Ionen reagieren zu Molekülen H2++H2  H3++H Katalytische Oberflächenreaktionen an Staubkörnern UV Strahlung der Sterne wird vom Staub abgeschirmt, Moleküle werden nicht zerstört

OH Maser Kompakte Quelle (<10AE) Hohe Intensitäten in OH-Radikal Linie bei l=18 cm Oft zirkuläre Polarisation Maser-Verstärkung (microwave amplification by stimulated emission of radiation) Über „Pumpprozeß“(?) werden obere Energieniveaus stark überbevölkert Strahlungsfeld derselben Frequenz induziert kohärente Emission, die stärker ist als spontane Emission

HI Wolken (Diffuse Wolken) Neutraler Wasserstoff H, C, O mit einigen C+, Ca+ 21 cm emission (1420MHz Radio) Absorptionslinien 5% des Volumens und 40% der Masse Dichte ca. 106 – 108 m-3 Temperatur ~80K

Beobachtungen von HI in der Milchstrasse Longair 17.3(b)

Verteilung in der Milchstrasse Longair Abb.17.2

HII Wolken (ionisiertes Gas) Rosettennebel 3000 Lj entfernt Rot: Wasserstoffgas Grün: Sauerstoff Blau: Schwefel Offener Sternenclusterwind lässt Loch im Zentrum entstehen Zentralsterne ionisieren Gas Staubfilamente bewegen sich durch den Nebel Explanation: The Rosette Nebula is a large emission nebula located 3000 light-years away. The great abundance of hydrogen gas gives NGC 2237 its red color in most photographs. The wind from the open cluster of stars known as NGC 2244 has cleared a hole in the nebula's center. The above photograph, however, was taken in the light emitted by three elements of the gas ionized by the energetic central stars. Here green light originating from oxygen and blue light originating from sulfur supplements the red from hydrogen. Filaments of dark dust lace run through the nebula's gases. The origin of recently observed fast-moving molecular knots in the Rosette Nebula remains under investigation.

Beobachtungen von HII Wolken in der Milchstrasse Wasserstoffatom wird ionisiert durch Photon mit l < 91.1mm (13.6 eV) Photoelektron re-kombiniert mit Ion Kaskade entsteht Jedes Lyman-a Photon erzeugt so ein H-a Photon (n=3 nach n=2) mit 656.28 nm (Rot) Longair Abb.17.3(a)

Strömgrensphäre Ausdehung einer HII Region mit Radius R Gleichgewichtszustand Nuv Anzahl der vom Stern emittierten UV Photonen Rekombinationskoeffizient: a [m3s-1]~2x10-16(Te[K])-3/4 Im vollständig ionisierten Plasma gilt ne=nion RHII Strecke in der ionisierende Photonen „aufgebraucht“ werden O-Stern: NUV~1049 Photonen s-1 ne~108m-3 und Te~104K RHII~3pc ne~106m-3 65pc

Warmes Zwischen-Wolken Medium (WIM) H, H+, e- 10%-20% ionisiert 21 cm Linie, Absorption, Ha Emission 40% des Volumens mit 20% Massenanteil 8000 K

Koronales Gas Vollständig Ionisiert H+ e- O5+, C3+,.. Weiche Röntgenemission (0.1-2keV) OVI Linien ~50% Volumen bei 0.1% der Masse in der Milchstrasse (geringe Dichte) Heiß mit T=106 K

Interstellares Gas - Überblick Phasenmodell: Druckgleichgewicht Thermische Instabilitäten Sagt 2 stabile Phasen voraus 8000K 80K Annahme Strahlungsverluste, optisch dünn Erweiterung kann auch Koronales Gas erklären Longair Table 17.1

Zwischen den Sternen

Interstellares Medium + Sternentsstehung Longair