Strahlung hochenergetischer Photononen aus dem Weltall Wechselwirkungen Timokhin Alexey 24.01.03
Definition Gamma Strahlung : Photonen mit E > 100 keV Energie Bezeichnung Detektoren 10 - 30 MeV medium Satellit 30 MeV - 30 GeV HE 30 GeV - 30 TeV VHE Čerenkov-Detektor Teilchendetektor 30 TeV - 30 PeV UHE > 30 PeV EHE Fluoreszenzdetektor
Motivation Ein Problem der Astroteilchenphysik - Der Ursprung der kosmischen Strahlung Photonen zeigen direkt zur Quelle!
Nachweis Die Nachweistechniken: Satelliten Experimente (z.b. Compton Gamma Ray Observatory [CGRO], Gamma Ray Large Area Space Telescope [GLAST] ) Bodengestützte Observatorien (z.b. HEGRA, HESS )
Nachweis Photoeffekt + Atom => Atom+ + e- Compton-Effekt +e-ruhend => ' +e-schnell e-e+-Paarerzeugung +Kern => e- +e+ +Kern' I(x) = I0 .exp{-mx}
Nachweis Paar-Konvertierung => e-e+ im Spurenkammersystem Kalorimetermessung von E = Ee-+Ee+ Messung der Einfallsrichtung des Photons: p=pe- +pe+ pe-=Ee- / c ; pe+=Ee+ / c (bei E >> mec2)
/ Winkelauflösung Projekte Jahr Satellit / [°] E /E [%] Aeff(E) [cm2] 1972 SAS-2 Technisches Versagen nach 7 Monaten 1975 COS-B 7.2 .. 2.4 50 .. 70 12 .. 50 1991 CGRO Egret 5.5 .. 0.4 19 – 26 700 – 1600 2006 GLAST 3 .. 0.1 10 (?) – 8000 / Winkelauflösung E /E Energieauflösung Aeff(E) effektive Fläche entscheidender Nachteil: kleine Detektorfläche wenige s O(10) GeV Limit
EGRET Energetic Gamma Ray Experiment Telescope (EGRET)
EGRET – Ergebnisse Die Entdeckung der Blazare Die Beobachtung der Pulsare Der Nachweis von Photonen der Gamma-ray bursts Die Kartographierung des Gesamthimmels Die Rätsel der noch unidentifizierten Quellen
GLAST Das Gamma-Ray Large Area Space Telescope (GLAST): Large Area Telescope (LAT) GLAST Burst Monitor (GBM)
e+,e- : v~c >cLuft (Ekin = 21 Mev) Atmosphärische Luftschauer Einfallendes Photon mit E, e+ e- Paar-Konvertierung an Kernen e- e+ Bremsstrahlung E < 10 TeV …erreichen nicht die Erde e+,e- : v~c >cLuft (Ekin = 21 Mev) Čerenkovlicht Schauerfront Č cosČ = 1/(n) ; = V/c
IACT's Projekte
HESS High Energy Stereoscopic System (HESS) 4 Teleskope (13 m Spiegeldurchmesser) Kamera: 960 PMTs Eigenschaften: / 0.1° E /E 20% Aeff(1TeV) 250 000 m2 Ethreshold 100 GeV
Ergebnisse Gesamter Himmel EGRET: ~ 300 Quellen < 10 GeV Erdboden: ~ 20 > 1 TeV
--Wechselwirkungen Wechselwirkung mit den Photonen der 2,7-Kelvin-Schwarzkörper-Strahlung: + => e+ + e- ESchwelle= 2me2/(1-cos) Zentraler Stoss ( = 180o), 250 eV: ESchwelle 1015 eV Wechselwirkung mit Infrarot- und Sternenlichtphotonen: + => + + - => entfernte Bereiche des Universums (>100 kpc) bleiben für Photonen mit E>100 TeV verschlossen Wechselwirkungen
Quellen Überreste von Sternexplosionen: Schockfronten an der abgestossenen Sternenhülle Kompakte Überreste (schwarze Löcher, Neutronensterne) Pulsare Wechselwirkungen SNR1987 A
Quellen aktive galaktische Kerne (AGN) quasistellare Radioquellen (Quasare) Blazare … kurzzeitig extrem veränderliche Objekte… …sowie Gamma- Quasare bei grossen Rotverschiebungen (z>2)… Wechselwirkungen Schwarze Löcher – “Kraftwerke”
Quellen Gamma – Burster. plötzlich, unvorhersagbar Rate 1/Tag kurze Dauer (1 .. 100 s) 28 Februar 1997: GRB970228 …in Entfernung von etwa 1 Gpc… Wechselwirkungen
Quellen Mögliche Kandidaten für Gamma-Bursts: Kollisionen von Neutronensternen untereinander oder mit Schwarzen Löchern Asteroideneinschläge auf Neutronensternen explodierende primordiale Schwarze Mini-Löcher (m1g) “Hypernovae” – Explosionen mit einem Kollaps in ein rotierendes Schwarzes Loch kurze Burst – Zeiten => sehr kleine räumliche Ausdehnung Wechselwirkungen
Quellen Quasi-Periodischen Gamma-Burster (Soft-Gamma-Ray-Repeater) …alle liegen in unserer Galaxie oder in den Magelanschen Wolken Wechselwirkungen
Quellen Quasi-Periodischen Gamma-Burster (Soft-Gamma-Ray-Repeater) Ausbruch niederenergetischer s Modell: aktiver Neutronenstern: „Magnetar“ 27. August 1998 Magnetar SGR-1900+14 Magnetfeld B = 1011 Tesla (1000 mal mehr als die Felder normaler Neutronensterne) Wechselwirkungen