Kosmische Beschleuniger

Transkript

1 Methoden und Detektoren in der Astroteilchenphysik: Kosmische Beschleuniger (kurze Einführung in die γ-astronomie und kosmische Strahlung) MPI für Physik & Excellence Cluster Universe

2 Kosmische Beschleuniger 1. (geladene) Kosmische Strahlung Geschichte Zusammensetzung Energie GZK-Cutoff Experimente: AGASA, AUGER, aktuelle Ergebnisse 2. (neutrale) hochenergetische Gammastrahlung Relevanz, Photonenerzeugung Multiwellenlängen-Beobachtung (Experimente) Ergebnisse: Standardkerze: Der Krebsnebel Pulsare Supernova-Überreste Aktive Galaktische Kerne Kosmologie: Extragalaktisches Hintergrundlicht Gamma-Ray Bursts (keine Dunkle Materie)

3 Kosmische Strahlung: Entdeckung Entdeckung: Victor Hess 1912 Nobelpreis Physik 1936 Beobachtung auf Ballonflügen mit Elektroskopen: Entladungsrate nimmt mit zunehmender Flughöhe ab, bis zu einer Höhe von 1000 m Dann deutliche Beschleunigung der Entladung, bei 5000 m ein Vielfaches der Rate am Erdboden 3

4 Kosmische Strahlung: Spektrum γ ~ 2.7 γ ~ 3.0 Reicht über viele Größenordnungen in Energie und Fluß: GeV (10 9 ev)... ZeV (10 21 ev) >1 cm -2 s < 1 km -2 pro Jahrhundert Folgt im Wesentlichen einem Potentzgesetz ( power law ): γ ~ 2.7 γ ~ 3.0 γ ~ 2.7 dn de E γ Energiedichte ρ E = 4π c E < ev ev < E < ev ev < E E dn de 1 ev cm 3 SN kommen als Beschleuniger in Frage, ca 10% Effizienz nötig 4

5 Zusammensetzung der KS Bei niedrigen Energien (bis ~ ev) ist die Zusammensetzung der KS durch Ballon- und Satelliten- Experimente gut gemessen Anti-Kerne (insbesondere also Anti-Helium) wurde nicht gefunden Kein Hinweis auf grosse Mengen Antimaterie in unserer Nähe 5

6 Zusammensetzung KS Vergleich mit Sonnensystem (bestimmt aus Absorptionslinien der Sonne, Meteoritengestein) Übereinstimmung bei mittelschweren Kernen: Maxima bei geradem Z, A: stabile Kerne bei Fusionsreaktionen in Sternen bevorzugt Abweichung bei leichten Kernen: Beschleunigung für H, He nicht so effizient Li, Be, B werden in Sternen sofort verbrannt, werden in der KS durch Spallation von schwereren Kernen erzeugt 6

7 Zusammensetzung der KS um das Knie Position des Knies hängt vom Element ab: schwere Kerne erst bei höheren Energien Bei hohen Energien dominieren schwere Kerne (zb. Fe) Deutung: Confinement in der Galaxie 7

8 Erreichbare Energie Wie werden Energien oberhalb von ~ 100 TeV erreicht? Energiereichere Ereignisse: Aktive galaktische Kerne Pulsare (Neutronensterne) GRBs 8

9 Ausbreitung von Teilchen in Magnetfeldern Geladenen Teilchen werden von kosmischen Magnetfeldern abgelenkt Simulation mit einem zufällig gerichteten Magnetfeld von ~0.1 nt und Kohärenzlänge von ~100 pc Teilcheneinschuss mit verschiedenen Energien von links Nur höchstenergetische Teilchen (E ~ ev) können den Weg zu ihren Quellen zeigen 9

10 Der GZK-Cutoff Greisen-Zatsepin-Kuz min Cutoff (1966): Wechselwirkung der kosmischen Teilchen mit Photonen der Hintergrundstrahlung Mittlere freie Weglänge zwischen zwei Kollisionen: ~ 50 Mpc Bei hohen Energien: Möglichkeit für Pion-Produktion: s = m 2 p + 2E E γ (1 cosα) < m p m E p < m2 π p + γ + p + π 0, n + π + 4E γ Kosmische Hintergrundstrahlung: Schwarzkörper mit 2.7 K, ~ 2.3 x 10-4 ev Photonen bis zu ~ 10-3 ev Kosmisches Tempo-Limit bei ~ 7 x ev 10

11 Höchste Energien: GZK Cut-off 1966: Greisen, Zatsepin, Kuzmin: Hochenergetische Teilchen wechselwirken mit Photonen der Hintergrundstrahlung: Schwelle ~ 7 x ev für Pion- Produktion Reichweite von Teilchen oberhalb von ~10 20 ev beschränkt auf < 100 Mpc 11

12 AGASA Ergebnisse Diskrepanz mit GZK-Annahme bei hohen Energien (für gleichförmige Quellenverteilung) Aber: Grosse Unsicherheiten bei der Energie-Skala

13 GZK-Cutoff: Status Energie der einzelnen Experimente verschoben, so dass alles bei ev mit Fly s Eye zusammenfällt Starke Hinweise, dass der GZK cutoff existiert 13

14 Hybrid-Detektion: AUGER Gute Auflösung, geringer Duty Cycle Grosse Fläche, ständig aktiv, grosse Energie- Unsicherheit 14

15 AUGER-Süd: Argentinische Pampa 1600 Wasser- Cherenkov- Detektoren am Boden 4 Flureszenz- Stationen mit je 6 Teleskopen Abgedeckte Fläche: 3000 km 2 (10 x München) 15

16 AUGER-Detektor: Ground Array Kommunikations-Antenne Photo-Multiplier Batterie GPS-Empfänger Solarzelle Wasser-Tank 12 m 3 reines Wasser 16

17 AUGER Installation 17

18 AUGER Fluoreszenz-Teleskope 18

19 AUGER Floureszenz-Teleskope 440 PMTs, 1.5 pro Pixel 19

20 AUGER 4-Fach-Hybrid 20

21 AUGER-Spektrum Slope = ± 0.03 Exp. Obs. > ev 132 ± 9 51 > ev 30 ± significance = 6σ Click to edit calib. Master uncert. 10% title style FD syst. unc. 22% 5165 km 2 sr yr ~ 0.8 full Auger year Sehr deutliche Hinweise auf GZK-Cutoff! Oder den Quellen geht dort die Luft aus... 21

22 AUGER: Verteilung Höchstenergetischte Teilchen sind nicht isotrop verteilt Korrelation mit nahem bekannten AGNs, Supergalaktischer Ebene 22

23 Neutrale Kosmische Strahlung (Gammastrahlung, keine Neutrinos) Auf der Suche nach den Quellen der kosmischen Strahlung...und viel mehr! 23 Major Atmospheric Gamma-Ray Imaging Cerenkov Telescope

24 Elektromagnetische Strahlung Energie: ~10-9 ev ~10-4 ev ~1 ev ~10 4 ev ~10 6 ev 24

25 Absorption in der Erdatmosphäre 25

26 Beobachtung bei verschiedenen Wellenlängen Radio (10-6 ev) IR (10-2 ev) sichtbar (1 ev) X-Ray (10 3 ev) Gamma (10 9 ev) Zentrale Regionen unserer Milchstraße durch Staub verborgen

27 Beobachtung bei verschiedenen Wellenlängen Radio (10-6 ev) IR (10-2 ev) sichtbar (1 ev) X-Ray (10 3 ev) Gamma (10 9 ev) 27

28 Beobachtung bei verschiedenen Wellenlängen Radio (10-6 ev) IR (10-2 ev) sichtbar (1 ev) X-Ray (10 3 ev) Gamma (10 9 ev) 28

29 Beobachtung bei verschiedenen Wellenlängen Radio (10-6 ev) IR (10-2 ev) sichtbar (1 ev) X-Ray (103 ev) Gamma (109 ev) 29

30 Beobachtung bei verschiedenen Wellenlängen Radio (10-6 ev) IR (10-2 ev) sichtbar (1 ev) X-Ray (10 3 ev) Gamma (10 9 ev) Kombination aller Wellenlängen liefert ein umfassendes Bild 30

31 Der Weg zur Erde Photonen werden nicht durch Magnetfelder abgelenkt, zeigen zu ihrer Quelle 31

32 Photonen: Beschleunigung! Photonen selbst werden nicht beschleunigt, da sie ungeladen sind Energie kommt aus geladenen Teilchen Beschleunigung geladener Teilchen zb durch Schockfronten Umwandlung in Photonen durch verschiedene Prozesse Teilchenphysik: wo Kerne beschleunigt werden entstehen auch Photonen (und Neutrinos) Protonen/Kerne 32 p p π ± ν e ± π 0 γ Inverse Compton- Strahlung γ

33 Photon-Erzeugung I Beschleunigte Ladungen emittieren Strahlung Auf Kreisbahn in magnetischen Feldern: Synchrotron-Strahlung entdeckt an Synchrotron-Beschleunigern Beschleunigung (Abbremsen!) in starken elektrischen Feldern an Atomkernen: Bremsstrahlung 33

34 Photon-Erzeugung II Hadronische Erzeugung von Photonen durch Mesonerzeugung in hadronischen Reaktionen und anschliessendem Zerfall p + Kern X + π 0 π 0 γ γ Energieerhöhung eines Photons durch Streuung Click an hochenergetischen to edit Elektronen Master (inverser title style Compton-Prozess) 34

35 γ-rays: Satellite or Ground-based? Primary detection Small effective area Secondary detection (EAS) Large effective area Large angular acceptance Large/small angular acceptance Large duty-cycle Large/small duty-cycle Low background High background High cost Low cost

36 Hochenergie-Gamma-Astronomie (1 TeV = ev) 1989: Erster Nachweis von TeV-Gammastrahlen vom Krebsnebel durch das Whipple-Teleskop, Mt. Hopkins, Arizona

37 Der Krebsnebel: Pulsar in unserer Galaxie Supernova-Überrest mit Neutronenstern im Zentrum Masse ~ 1 Sonnenmasse 30 Umdrehungen pro Sekunde Heizen des umliegenden Nebels mit hochenergetischen Elektronen 37

38 Gammastrahlung vom Krebsnebel Zwei Komponenten: Synchrotron-Strahlung von Elektronen im starken Magnetfeld des Pulsars Inverse-Compton-Streuung von Hintergrund- und Synchrotron-Licht 38

39 Pulsare als Gamma-Quellen Ganz frisch: September 2008 Nachweis gepulster hochenergetischer Gamma- Strahlung vom Krebs-Pulsar 39

40 Hochenergie-Gamma-Astronomie 2004: schon 13 Quellen

41 77 bekannte Quellen

42 Quellen in der galaktischen Ebene HESS J HESS J HESS J HESS J HESS J G Galaktisches Zentrum RX J HESS J Durchmesser doppelt so groß wie der Mond! HESS J HESS J

43 Der Vela-Supernova-Überrest RX J erstes Bild eines Supernova- Überrestes in Gamma-Strahlen 43

44 Woher kommt die kosmische Strahlung? beste Kandidaten: Supernova-Überreste Warum Supernova-Überreste? Große Energiefreisetzung: ESNR 10 ECR Vorgeschlagen von Baade & Zwicky (Energieüberlegungen!) SN 1987A Tychos SNR Cassiopeia A IC 443

45 Teilchenbeschleunigung? Energie pro ausgeschleudertem Teilchen viel kleiner als Energie der Kosmischen Strahlung. Brauche zusätzliche Beschleunigung: stochastische Beschleunigung in der Schockwelle ΔE ε E => de/dn ~ E -2.0 Schockwelle Enrico Fermi Beschleunigung in vielen kleinen Schritten: Viele 100 Zyklen notwendig Dauert sehr lange: Supernovae strahlen erst nach etlichen Jahrhunderten

46 Supernova 1006 im Röntgenlicht TeV γ-rays Chandra NASA/CXC/Rutgers/J. Hughes et al.

47 RXJ (G ) Discovered in TeV by CANGAROO. Confirmation by H.E.S.S. H.E.S.S. Aharonian et al 2008 (HESS) Click to Contour edit lines: ASCA Master X-rays title style Y. Uchiyama et al Non-thermal spectrum in X-rays everywhere in the SNR TeV emission morphology very similar to X-rays TeV spectral index 2.2 agrees well with shock acceleration How to connect with CR spectral index? Propagation!

48 Spektrale Energieverteilung Energie-Fluss E 2 dn/de Elektronen- Beschleunigung oder Protonen- Beschleunigung Komplett verfügbares Spektrum Cherenkov- Teleskope: mehr Daten erforderlich: Fermi Gammaray telescope! 48

49 IC 443 (G ) Distance 1.5 kpc, Age 30,000 years, Diameter 45 Composite picture, APOD 2006/06/02 Possible EGRET association 3EG J Maser shocked molecular gas Pulsar wind nebula at edge of remnant Discovered by MAGIC in TeV: 5.7σ in 29 hours (MAGIC J ) Displaced respect to the EGRET source Steep spectrum: -3.1±0.3 PWN

50 IC 443 (G ) Position compatible with dense gas, not PWN, not shell Maser emission suggest SNR interacting with cloud Favored interpretation of TeV emission from pion production: long-sought hadronic accelerator? PWN association can not yet be discarded Albert et al. 2007, ApJ 664, L87 PWN Maser

51 Aktive Galaktische Kerne: AGNs Supermassive Schwarze Löcher ( Sonnenmassen) im Zentrum von Galaxien Akkretion von Materie je nach Konfiguration kann sich ein Jet ausbilden ca 5% aller Galaxien sind aktiv Elektromagnetische Strahlung aus AGNs: Infrarot bis X-Ray Infrarot Radio, Gamma (nicht thermisch) 51

52 Die Kosmischen Kraftwerke: Aktive Galaktische Kerne

53 Entstehung von Gammas in Jets Elektronen und Protonen werden in den Schockfronten beschleunigt Synchrotronstrahlung im Magnetfeld Inverse-Compton- Prozesse Proton-induzierte Kaskade mit Photonen aus neutralen Pionen 53

54 Radio Röntgen HST-1 knot A knot D nucleus Schönes Beispiel: Jet von M87

55 Blazare/BL Lac Objekte: Spezielle AGNs Eine Klasse von Objekten, die starke Gamma-Emmissionen mit starken zeitlichen Variationen zeigt erste Beobachtung bei BL Lacertae (BL Lac) Aktiver Galaktischer Kern, mit einem Jet der fast genau auf die Erde zeigt Zusätzlicher Intensitätsgewinn durch relativistische Effekte Zeitliche Variation zum Beispiel durch Schockfronten, die sich überholen, die durch Materie-Regionen laufen,... 55

56 AGNs: Photon-Spektrum Typische Double Hump Struktur Beiträge von Synchrotronstrahlung und Inverse Compton von Elektronen, Hadronische Komponenten Inverse Compton hauptsächlich mit Synchrotron-Photonen Unterscheidung leptonisch hadronisch: Form, Korrelationen, Neutrinos! 56

57 Dramatische Helligkeitsschwankungen TeV Gammastrahlung Auf Zeitskalen von Stunden... Röntgenstrahlung Optisch Stärkste Variationen bei höchsten Energien Aktives Zentrum klein (Radius < c/t) Viel schnellere Beschleunigung als in Supernovae (starke relativistische Effekte)

58 Variationen auf Minutenskala! Jets riesig! ~ Lichtjahre Charakteristische Verdopplungszeit des Flusses: Nur 4 Min! Im Gegensatz dazu besagt diese Messung: Beschleunigung muß in einem Gebiet passieren, dessen Größe - mit der des zentralen schwarzen Lochs (!) - mit der unseres Sonnensystems vergleichbar ist. 58

59 Transparenz des Universums Analog zum GZK-Cutoff gibt es auch für Gammastrahlung Grenzen: γ + γ e + + e s = 2 E1 E 2 (1 cosθ) Problem: starke Vordergrundbeiträge! Mit sichtbaren Photonen (~ 1 ev) ist ab ~ 250 GeV Paarerzeugung möglich Science 320, 1752 (2008) 59 FIRAS (COBE) Mit Gamma-Quellen im 100 GeV - TeV -Bereich kann Extragalaktisches Hintergrundlicht (EBL) im sichtbaren Bereich untersucht werden Information über Sternentstehungsraten

60 Absorption von Gamma-Strahlen im extragalaktischen Hintergrundlicht Das Universum enthält das Licht das alle Sterne im Laufe der Zeit ausgestrahlt haben γ-strahlen können durch Stoß mit Hintergrundlicht absorbiert werden Aus beobachteter Absorption kann auf Stärke des Hintergrundlichtes geschlossen werden Wir hatten erwartet, dass von 3C 279 keine γ-strahlen > 200 GeV mehr die Erde erreichen

61 Transparenz des Universums: MAGIC-Beobachtung Beobachtung einer weit entfernten Quelle im 100 GeV- Bereich (AGN 3C 279) Science 320, 1752 (2008) Sternentstehungsrate Beobachtung ist in Übereinstimmung mit EBL-Abschätzung aus Galaxie-Zählungen: Das Universum enthält nicht mehr licht als minimal notwendig. 61

62 Gamma Ray Bursts Hellste bekannte Phänomene am Himmel Überstrahlen für kurze Zeit den gesammten Gamma-Himmel Ende der 1960er zufällig von Satelliten auf der Suche nach Russischen Atomtests entdeckt 62

63 Gamma Ray Bursts Kurze, unregelmässige Pulse, von Burst zu Burst verschieden Kommen aus allen Richtungen des Himmels, meist aus grosser Entfernung Mögliche Quelle: Extreme Supernova-Explosionen ( Hypernova ) im frühen Universum Höchste Energien? 63

64 Das hellste jemals beobachtete Objekt SWIFT X-Ray Text GRB B ~ 7.5 Gly entfernt war mit bloßem Auge von der Erde aus sichtbar SWIFT Optical 64

65 Zusammenfassung: KS Kosmische Strahlung ist seit 100 Jahren bekannt Genaue Bestimmung der Elementzusammensetzung bei niedrigen Energien: korreliert mit Zusammensetzung des Sonnensystems, Abweichungen verstanden Element-Zusammensetzung um das Knie in der Verteilung gut vermessen Wechselwirkung der Strahung mit dem kosmischen Mikrowellenhintergrund führt zu einer Energiegrenze Teilchen bei extremen Energien sind nicht isotrop verteilt, ermöglicht das Click Auffinden to und Verstehen edit Master der Quellen? title style Beginn der Teilchen-Astronomie? Beschleunigung in Supernova-Schockfronten kann Energien bis ~10 14 ev erklären Schockfront-Beschleunigung kann auch für die höchstenergetischten Teilchen verantwortlich sein, in Pulsaren, Blazaren, AGNs... 65

66 Zusammenfassung: Gamma-Strahlung Die Messung elektromagnetischer Strahlung spielt eine grosse Rolle in der Astro- und Astroteilchenphysik Die Kombination verschiedener Spektralbereiche ermöglicht genaue Untersuchungen von Quellen Beobachtung hochenergetischer Photonen mit Cherenkov-Teleskopen, Satelliten (Fermi), Wassercherenkov-Detektoren... Physik der Gamma-Quellen in unserer Galaxie und extragalaktisch: Pulsare Aktive Galaktische Kerne, Blazare Gamma-Ray-Bursts Indirekte Untersuchungen des Hintergrundlichts geben Aufschluss über die Struktur des Universums 66