Gigantische Explosionen

Transkript

1 Gigantische Explosionen Gammaastronomie - das Universum bei höchsten Energien Gernot Maier

2 Credit: Stephane Vetter (Nuits sacrees)

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4 Kollidierende Galaxien

5 Licht = Elektromagnetische Strahlung Welle Teilchen Frequenz, Energie, Temperatur 750 nm 400 nm Wellenlänge

6 Licht = Elektromagnetische Strahlung Welle Teilchen Frequenz, Energie, Temperatur 1 K 100 K 1,000 K 10 8 K K Radio Infrarot Mikrowellen Sichtbar Ultraviolet Röntgen Gamma 1 m - 1 km 1 cm 1 μm - 1 mm nm nm nm < 0.01 nm Wellenlänge

7 Licht = Elektromagnetische Strahlung Frequenz, Energie, Temperatur 1 K 100 K 1,000 K 10 8 K K Radio Infrarot Mikrowellen Sichtbar Ultraviolet Röntgen Gamma 1 m - 1 km 1 cm 1 μm - 1 mm nm nm nm < 0.01 nm Wellenlänge

8 Licht = Elektromagnetische Strahlung Teilchenphysikalische Prozesse Frequenz, Energie, Temperatur 1 K 100 K 1,000 K 10 8 K K Radio Infrarot Mikrowellen Sichtbar Ultraviolet Röntgen Gamma 1 m - 1 km 1 cm 1 μm - 1 mm nm nm nm < 0.01 nm Wellenlänge

9 sichtbares Licht

10 sichtbares Licht Röntgen Infrarot

11 Unsere Galaxie - die Milchstrasse Two Micron All Sky Image ~300 Milliarden Sterne in der Milchstrasse

12 Unsere Galaxie - die Milchstrasse Two Micron All Sky Image

13 Unsere Galaxie - die Milchstrasse Sichtbar heiße Sterne

14 Unsere Galaxie - die Milchstrasse Infrarot Staub Sichtbar heiße Sterne

15 Unsere Galaxie - die Milchstrasse Radio 21cm Infrarot kaltes Gas Staub Sichtbar heiße Sterne

16 Unsere Galaxie - die Milchstrasse Radio 21cm Infrarot kaltes Gas Staub Sichtbar heiße Sterne Röntgen sehr heißes Gas

17 Unsere Galaxie - die Milchstrasse Radio Radio 21cm Infrarot hochenergetische Teilchen in Magnetfeldern kaltes Gas Staub Sichtbar heiße Sterne Röntgen sehr heißes Gas

18 Unsere Galaxie - die Milchstrasse Radio Radio 21cm Infrarot hochenergetische Teilchen in Magnetfeldern kaltes Gas Staub Sichtbar heiße Sterne Röntgen Gamma sehr heißes Gas hochenergetische Teilchen

19 Unsere Galaxie - die Milchstrasse Radio Radio 21cm Infrarot hochenergetische Teilchen in Magnetfeldern kaltes Gas Staub Sichtbar heiße Sterne Röntgen Gamma sehr heißes Gas hochenergetische Teilchen Woher kommen diese hochenergetischen Teilchen?

20 20 J Kosmische Strahlung besteht hauptsächlich aus Elektronen, Protonen, Helium-Kernen weiter Energiebereich: 1000 ev bis = ev Viktor Hess (1912) Nobelpreis 1936 Siebente Ballonfahrt von Hess

21 20 J Kosmische Strahlung besteht hauptsächlich aus Elektronen, Protonen, Helium-Kernen weiter Energiebereich: 1000 ev bis = ev Viktor Hess (1912) Nobelpreis 1936

22 LHC in Genf Zum Vergleich die größte Machine der Welt: Maximale Energie: 7 TeV = 7 x ev

23 Wie funktionieren die kosmischen Teilchenbeschleuniger? Was ist der Ursprung der kosmischen Strahlung? Physik unter extremen Bedingungen (Energien, Elektromagnetische Felder, Gravitationsfelder,...)

24 Kosmische Strahlung - Gammastrahlung

25 Kosmische Strahlung - Gammastrahlung Compton Streuung Elektron-Photon Kollision Elektron mit hoher Energie Elektron mit niedriger Energie γ (Photon) Lichtteilchen mit niedriger Energie Lichtteilchen mit hoher Energie

26 Kosmische Strahlung - Gammastrahlung Compton Streuung Elektron-Photon Kollision Teilchenzerfall Proton-Proton Kollision Elektron mit hoher Energie Elektron mit niedriger Energie Proton γ (Photon) π + π - π 0 γs (Photonen) Proton Lichtteilchen mit niedriger Energie Lichtteilchen mit hoher Energie Lichtteilchen mit hoher Energie

27 Quellen kosmischer Gammastrahlung 300 Milliarden Sterne in der Milchstrasse 100 Quellen kosmischer Gammastrahlung (>10 12 GeV)

28 Quellen kosmischer Gammastrahlung 300 Milliarden Sterne in der Milchstrasse 100 Quellen kosmischer Gammastrahlung (>10 12 GeV) Supernova Pulsar Windnebel Doppelsterne Starburst Galaxies Aktive Galaxien Gamma Ray Bursts

29 Supernovae explodierende Sterne

30 Energieproduktion in Sternen Sterne bestehen überwiegend aus Wasserstoff und Helium Gas

31 Energieproduktion in Sternen Sterne bestehen überwiegend aus Wasserstoff und Helium Gas Energieproduktion durch Fusion im Zentrum des Sternes: Wasserstoffbrennen Heliumbrennen...

32 Energieproduktion in Sternen Sterne bestehen überwiegend aus Wasserstoff und Helium Gas Energieproduktion durch Fusion im Zentrum des Sternes: Wasserstoffbrennen Heliumbrennen... Gravitation erzeugt Druck nach innen Fuionsreaktionen erzeugen Druck nach außen

33 Energieproduktion in Sternen Sterne bestehen überwiegend aus Wasserstoff und Helium Gas Energieproduktion durch Fusion im Zentrum des Sternes: Wasserstoffbrennen Heliumbrennen... Gravitation erzeugt Druck nach innen Fuionsreaktionen erzeugen Druck nach außen Was passiert wenn der Treibstoff (Wasserstoff, Helium) ausgeht?

34 Massive Sterne explodieren zu Supernovae

35 SN 1987 A

36 SN 1987 A

37 Tychos Supernova (1572)

38 heißer Überrest (Millionen Grad Celsius) Tychos Supernova (1572)

39 heißer Überrest (Millionen Grad Celsius) Teilchenbeschleunigung in Schockfront Tychos Supernova (1572)

40 3000 km/s Supernovae sind wohl einer der Quellen der kosmischer Strahlung. (das sagen wir seit über 60 Jahren...)

41 Neutronensterne - kosmische Uhren Neutronensterne sind einer der möglichen Endstadien für einen schweren Stern Extreme Dichte: 1 Teelöffel Neutronensternmaterie wiegt 1 Milliarde Tonne Unter den besten Uhren die wir kennen: z.b. PSR : Periode= s

42 Neutronensterne - Pulsare Pulsare sind rotierende Neutronensterne Pulsar emittieren Gammastrahlen bei sehr hohen Energien (Wie?)

43 Aktive Galaxien Superschwere schwarze Löcher

44 Schwarze Löcher Objekte hoher Dichte: Gravitation ist so stark, daß nichts dieses Objekt verlassen kann (selbst Licht nicht) In ausreichender Entfernung: kein Unterschied zwischen einem schwarzen Loch und einem Objekt gleicher Masse spürbar

45 Das Zentrum der Milchstrasse Schwarzes Loch mit 4 Millionen Sonnenmassen

46 Aktive Galaktische Kerne

47 Aktive Galaktische Kerne extrem helles Zentrum der Galaxie Schwarzes Loch mit 10 9 Sonnenmassen

48 Aktive Galaktische Kerne 5000 Lichtjahre = 5x10 16 km Jet: Materiestrahl mit Auswurfgeschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit extrem helles Zentrum der Galaxie Schwarzes Loch mit 10 9 Sonnenmassen

49 Aktive Galaktische Kerne 5000 Lichtjahre = 5x10 16 km Jet: Materiestrahl mit Auswurfgeschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit Möglicherweise Quellen der kosmischen Strahlung extrem helles Zentrum der Galaxie Schwarzes Loch mit 10 9 Sonnenmassen

50 W Comae - ein Aktiver Galakischer Kern 7./8. Juni 2008 ] 2 Energie pro Zeit ν F und ν [ergs/s/cm Fläche Radio Sichtbar Röntgen Gamma SSC model SSC+EC model disk MJD Millionen photons/m 2 /s EC 1 photon/m 2 /Tag SSC sync log ν [Hz] 10 Energie pro Zeit und Fläche

51 W Comae - ein Aktiver Galakischer Kern 9. Juni 2008 ] 2 Energie pro Zeit ν F und ν [ergs/s/cm Fläche Radio Sichtbar Röntgen Gamma SSC model SSC+EC model MJD SSC disk EC sync log ν [Hz] 10 Energie pro Zeit und Fläche

52 Teleskope CTA

53 Unsere Galaxie - die Milchstrasse Radio Radio 21cm Infrarot hochenergetische Teilchen in Magnetfeldern kaltes Gas Staub Sichtbar heiße Sterne Röntgen Gamma sehr heißes Gas hochenergetische Teilchen Vielzahl unterschiedlicher Teleskope

54 Arecibo (Radio) Teleskope Spitzer (IR) Fermi (Gammastrahlung) Suzaku (Röntgen) VLT (sichtbarer Bereich) VERITAS (Gammastrahlen) Auger (kosmische Strahlen) LIGO (Gravitationswellen) IceCube (Neutrinos)

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56 Messung von Gammastrahlung Atmosphäre undurchlässig für Gammastrahlen Atmosphäre Erde

57 Messung von Gammastrahlung Atmosphäre undurchlässig für Gammastrahlen Gamma- Photon Atmosphäre Erde

58 Messung von Gammastrahlung Atmosphäre undurchlässig für Gammastrahlen Gamma- Photon Teilchenschauer in der Atmosphäre Atmosphäre Erde

59 Messung von Gammastrahlung Atmosphäre undurchlässig für Gammastrahlen Gamma- Photon Atmosphäre Teilchenschauer in der Atmosphäre Tscherenkow- Licht Tscherenkow-Licht von Luftschauern: schwacher, extrem kurzer bläulicher Lichtblitz Teleskope: Nanosekunden Belichtungszeit Sensitivität auf einzelne Photonen/m 2 Erde

60 Ein CTA Teleskop - DESY Entwicklung

61 CTA - Cherenkov Telescope Array

62 CTA - Cherenkov Telescope Array Was ist der Ursprung der kosmischen Strahlung? Wie funktionieren die kosmischen Teilchenbeschleuniger? Physik unter extremen Bedingungen (Energien, Elektromagnetische Felder, Gravitationsfelder,...)