T.Hebbeker. Thomas Hebbeker RWTH Aachen University. Aachen 10. Juni V 2.1

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1 Hochenergetische Strahlung aus dem Universum Thomas Hebbeker RWTH Aachen University Aachen 10. Juni 2009 V 2.1

2 Astronomie Astrophysik - Kosmologie Grundlegende Fragen zum Universum: Entstehung? Entwicklung? Leben? Informationsquellen über das Universum: sichtbares Licht andere elektromagnetische Strahlung Elementarteilchen Astroteilchenphysik

3 Beobachtungen im sichtbaren Licht Geschichte der Astronomie Tolle Photos Radio- bis Gammastrahlung Unser heutiges Bild des Universum Elementarteilchen als Boten aus dem All

4 Beobachtungen mit dem nackten Auge Beobachtbar: Bis 1609 einzige Möglichkeit der Himmelsbeobachtung Planeten kreisen um Sonne (Sonne = unser Stern ) Erd-Mond 6 Planeten unseres Sonnensystems ca Sterne unserer Galaxie (= Milchstraße) Milchstraße, Andromeda 3 Millionen Lj. Tycho Brahe

5

6 2009 Das Jahr der Astronomie 1609: Revolution : Himmelsbeobachtung mit Fernrohr

7

8 Große Teleskope Lichtstärke Hubble Space Telescope Auflösung Palomar Observatorium 1949 E. Hubble VLT = Very Large Telescope

9 Blick ins Universum: Sterne Die Milchstrasse Nachbarstern Proxima Centauri 4 Lichtjahre 1Lj = 3 10 = m m / s 1Jahr Lj RWTH Das Sonnensystem in der Unsere Galaxie = Milchstrasse Milchstrasse (Schema)

10 Nachbargalaxie Andromeda Blick ins Universum: Galaxien 3 Millionen Lichtjahre NGC Millionen Lj VLT Arp 274 HST HST

11 Blick ins Universum: entfernte Galaxien Hubble-Teleskop deep field -Aufnahme bis zu 10 Milliarden Lichtjahre Blick in die Vergangenheit!

12 HST Adler-Nebel Sterngeburten

13 HST Krabben-Nebel Supernova 1054 wir bestehen aus Sternenstaub!

14 Beobachtungen im sichtbaren Licht Radio- bis Gammastrahlung Elektromagnetische Wellen Messmethoden Ergebnisse Welle und Teilchen Unser heutiges Bild des Universum Elementarteilchen als Boten aus dem All

15 Elektromagnetisches Spektrum MeV kev ev mev μev Energie

16 Messmethoden μev Wellenlänge mev ev Energie kev 1000 GeV

17 Die Milchstrasse bei verschiedenen Wellenlängen Radio 73 cm N O W sichtbar μm S Roentgen μm

18 Centaurus A NASA

19 Kosmische Hintergrundstrahlung WMAP-Sonde N O W Reststrahlung des Big Bang S Wellenlänge ~ mm Temperatur ~ 2.7 K

20 Licht - Welle UND Teilchen Je nach Experiment tritt Wellencharakter oder Teilchencharakter in den Vordergrund Lichtteilchen = Photon = γ

21 Beobachtungen im sichtbaren Licht Radio- bis Gammastrahlung Unser heutiges Bild des Universum Galaxien, Sterne, Strahlung Big-Bang-Modell Elementarteilchen als Boten aus dem All

22 Das heutige Universum Materie: Galaxien 10 mit je 11 Sternen dunkle Materie Strahlung: Sternenlicht Hintergrundstrahlung

23 dicht heiss Raum Big Bang = Ur- Knall - 15 Milliarden Jahre 2009 Zeit

24 Beobachtungen im sichtbaren Licht Radio- bis Gammastrahlung Unser heutiges Bild des Universum Elementarteilchen als Boten aus dem All Geladene kosmische Strahlung Entdeckung: Hess 1912 Energien: sehr hohe! Luftschauer Messungen am Erdboden Herkunft??? Auger-Observatorium in Argentinien Neutrinos

25 Die Struktur der Materie elektromagnetische Kraft (= elektromagnetische Wechselwirkung) = m = 1 fm = 1 Femtometer Kernkraft ~ starke Wechselwirkung

26 Elementarteilchen aus dem Universum νe Neutrinos neutral νμ μ - Myon (Myon entsteht in Lufthülle) Atom aus Elektronen und Kern Proton = Wasserstoffkern = u + u + d Atomkern =Z p + N n geladen Kern aus Nukleonen Nukleon (Proton p, Neutron n) aus Quarks

27 Energieeinheit Energie-Einheit im Mikrokosmos: ev = Elektronenvolt Energieskala der Atomphysik sichbares Licht ~ 3 ev 1GeV 10 9 ev 1eV J 1 Joule: 1 m

28 Geladene Strahlung primär (Protonen, Kerne) sekundär μ Astronomie-Fragen: Woher kommen die Teilchen? Wie werden sie so stark beschleunigt? Sind es Protonen oder schwere Kerne? Myonen

29 Entdeckung der kosmischen Strahlung Nobelpreis Viktor Hess

30 Elektrometer-Messungen von Hess Ionisierende Strahlung entlädt Elektrometer V. Hess Radioaktivität Erde Kosmische Strahlung = Höhenstrahlung unerwarteter Anstieg! Schnelligkeit der Entladung: Ionisierung

31 Messungen der kosmischen Strahlung ~ m 2 s aus allen Richtungen ~ 100 m 2 s Erdboden: Myonen μ

32 trahlen-`belastung des Menschen Natürliche Quellen: ~ 1 m Sv / Jahr ~ 0,1 J / Jahr gesamter Körper interne Radioaktivität Luft (Radon) (K-40) kosmische Strahlung externe Radioaktivität Höhere Dosis im Flugzeug (Hess-Experiment!)

33 Energien kosmischer Strahlung Teilchenfluss (log. Skala) Teilchenfluss: φ ~ E 3 50 J E/eV LHC Beschleuniger CERN: Strahlenergie max GeV sehr hohe Energie sehr selten

34 primär Pierre Auger: Entdeckung Luftschauer sekundär 300 m Detektor 1938 Jungfraujoch Geiger-Müller-Zähler 3500 m Resultat: zeitliche Koinzidenzen in Detektoren mit 300 m Abstand Abschätzung: 1 Millionen Sekundärteilchen, energy ev = GeV!

35 Pierre Auger - Messungen Pierre Auger

36 Volcano Ranch - Detektor > ev John Linsley New Mexico 10 km 2 Szintillatoren Teilchen/m : energy ev

37 Quellen/Beschleuniger von kosmischen Teilchen E/eV Hypothesen: A) Supernovae in unsere Milchstrasse? B) Extragalaktische Quellen AGNs???

38 A) Supernovae Quellen kosmischer Strahlung Supernova = explodierender Stern NGC 4526 Schockwelle kann beschleunigen; SN1994d Rechnungen: E ~ max ev Krabbennebel Supernova - Rest Milchstraße: ca 3 Supernova-Ausbrüche pro Jahrhundert Jahr 1054

39 Kosmische Strahlung in der Milchstraße Supernova (alle 30 Jahre)! Magnetfelder! Reisezeit 1 Million Jahre Informationen über Zeit und Ort der Entstehung gehen verloren!

40 Quellen/Beschleuniger von kosmischen Teilchen E/eV Hypothesen: A) Supernovae in unsere Milchstrasse? B) Extragalaktische Quellen AGNs???

41 B) Quellen der ultra-hochenergetischen Teilchen? Ablenkung in kosmischen magnetischen Feldern nur extrem hochenergetische geladene Teilchen erlauben direkte Identifizerung der Quelle! Simulation 1018 ev 1020 ev Bei Ankunft auf Erde: keine Richtungsinformation 1 Mpc ~ 3 Millionen Lj Simulation

42 B) Höchste Energien Aktive galaktische Kerne? (AGN) M87 Zentrum = schwarzes Loch sehr hell Jets HST: M87 in Virgo NASA Hypothese: AGNs = Quellen hochenergetischer kosmischer Strahlung (Skizze) NASA

43 AUGER-Observatorium in Argentinien FluoreszenzTeleskop WasserTanks

44 Auger-Observatorium Argentina 50 km Teleskope Höhe 1400 m Tanks (1500 m Abstand) 3000 km 2

45 Auger Observatorium Luftaufnahme

46 AUGER Oberflächen-Detektor Myon Cerenkov- Licht

47 Auger Erste Resultate Ankunftsrichtungen Luftschauer mit mehr als ev 27 Ereignisse gemessene Richtungen Nov 2007 nur Südhälfte sichtbar AGN Positionen keineisotropeverteilung! statistische Korrelation mit AGNs!

48 Beobachtungen im sichtbaren Licht Radio- bis Gammastrahlung Unser heutiges Bild des Universum Elementarteilchen als Boten aus dem All Geladene kosmische Strahlung Neutrinos Eigenschaften Ice-Cube-Detektor am Südpol

49 Elementarteilchen aus dem Universum νe Neutrinos neutral νμ μ - Myon (Myon entsteht in Lufthülle) Atom aus Elektronen und Kern Proton = Wasserstoffkern = u + u + d Atomkern =Z p + N n geladen Kern aus Nukleonen Nukleon (Proton p, Neutron n) aus Quarks

50 Eigenschaften: sehr kleine Masse Neutrinos neutral: keine Ablenkung in Magnetfeldern sehr geringe Wechselwirkung: Reichweite > 1 Lichtjahr ν Harris/Grupen Quellen: natürliche Radioaktivität n p e ν Kernreaktor Sonne Supernovae SN 1987A Durch unsere Körper strömen in jeder Sekunde viele Milliarden Neutrinos, und wir machen uns Gedanken über die Benzinpreise?

51 Teilchen aus dem Universum: Neutrinos p ν Kommen auch Neutrinos aus dem Weltall? 1) niederenergetische Neutrinos: (MeV) Ja! nachgewiesene Quellen: Sonne Supernova Japan ν Licht Icecube, Südpol

52 2) Hochenergetische Neutrinos (100 GeV) ν μ Licht μ großes Volumen transparenten Materials Cerenkov Licht Licht- Detektoren ν klares EIS

53 Neutrino-Experimente am Südpol IceCube 1km μ 1km

54 Neutrino-Experimente - erste Ergebnisse Neutrinos von unten (meist aus Atmosphäre) bisher noch KEINE Hinweise für hochenergetische Neutrinos aus dem Universum

55 Zusammenfassung Astronomie ist eine faszinierende Wissenschaft Wissen über das Universum: sichtbares Licht elektromagnetische Strahlung vieler Wellenlängen Gesamtbild hochenergetische Elementarteilchen

56 STERNWARTE Aachen

57 ANHANG

58 Erdbeobachtung in Erdatmosphäre Satelliten Absorption/Reflektion Elektromagnetische Strahlung aus dem Universum

59 HST Galaxien

60 Doppler-Effekt (Licht) Spektralanalyse = Energiemessung Sonnenlicht: Atomare Spektrallinien: 0.4 μm 0.8 μm Wellenlänge

61 Rotverschiebung der Spektrallinien E. Hubble 0.4 μm 0. 8 Hubble-Konstante = 2cm / s / Lj Universum expandiert!

62 Centaurus A

63 Centaurus A Mikrowellen ESO sichtbar Röntgen

64 Energien kosmischer Strahlung Chemie: bei kleinen Energien ~ 90% Protonen, ~ 10% Heliumkerne Teilchenfluss (log. Skala) Teilchenfluss: φ ~ E 3 50 J E/eV LHC Beschleuniger CERN: Strahlenergie max. 7 TeV sehr hohe Energie sehr selten

65 Hochenergetischer Luftschauer (Auger) 5 km 50 km Fluoreszenzlicht wie Glühbirne mit Lichtgeschwindigkeit

66 Auger Fluoreszenz-Teleskop Kamera: 440 Pixel (PM) 100 ns ASA Spiegel 3.4 m Farbcode Spur eines Schauers = Ankunftszeit

67

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