Hauptseminar WS 2006: Hauptseminar WS 06/07 Martin Vogel

Transkript

1 WS 2006: Galaktische und extragalaktische Kosmische Strahlung 1

2 Überblick 1. Geschichte 2. Das Spektrum der kosmischen Strahlung 3. Beschleunigung und Ausbreitung 4. Messung (direkt und indirekt) 5. Komposition der kosmischen Strahlung 6. Interpretation: Knie, Knöchel 7. Höchste Energien und GZK-Unterdrückung 8. Ausblick 2

3 Geschichte 1912 Ballonflüge von Victor Hess; Vermutung extraterrestrische Strahlungsquelle 1929 W.Bothe und W. Kolhörster: Messung koinzidenter Signale (Geiger-Müller-Zählrohre) 1930er Entdeckung von Positron, Pion und Myon 3

4 Geschichte 1938 Pierre Auger: Kaskaden von Sekundärteilchen verursacht durch hochenergetische Primärteilchen 1940er Komposition der KS wurde untersucht; erste große Detektorarrays 1962 Erste Messung eines Teilchen mit Energie 1020eV 4

5 Wichtige Größen Parsec: 1 pc = 3,1x1016 m = 3,3 LJ Gauss: 1 Gauss = 1x10-4 Tesla Steradiant sr: Raumwinkel Elektronenvolt: 1eV = 1,6x10-19 Joule Energie: 1 erg = 0,1 µj SI-Präfixe: 6 Mega Tera Exa 10 9 Giga Peta Zeta 10 5

6 Das Spektrum der kosmischen Strahlung Merkmale: Knie 2. Knie (?) Knöchel Knöchel Knie GZKUnterdrückung (?) Potenzgesetz γ dn/de ~ E 6

7 Quellen, Beschleunigung, Ausbreitung, Messung 7

8 Quellen, Beschleunigung, Ausbreitung, Messung 8

9 Beschleunigungs-Mechanismus (s.a. Vortrag von Alexander Förste) Fermi-Beschleunigung Potenzgesetz 9

10 Unsere Galaxie Spiralgalaxie Magnetfeld ~3µG (Sonnensystem) Galaktische Ebene ~200 pc Radius: ~15-20 kpc Zentrum-Erde: ~8 kpc Halo 2-4kpc? 10

11 Direkte Messung KS (s.a. Vortrag von Markus Helfrich) Ballonflüge Satelliten Problem: zu kleine Fläche zur Messung UHECR 11

12 Elementare Zusammensetzung des Flusses E = 1 TeV Abweichungen z.b. bei CNO, Fe, Ne, Pb ~50% Protonen ~25% Heliumkerne ~13% CNO-Kerne <1% Elektronen <0,1% Gammastr. 12

13 Elementare Zusammensetzung des Flusses 13

14 Indirekte Messung KS (s.a. Vortrag von Martin Will) höhere Statistik ungenauer KASCADE-Array im FZK Fluoreszenzteleskop AUGER 14

15 Das Knie der Kosmischen Strahlung direkt (R.Engel) indirekt 15

16 Das Knie der Kosmischen Strahlung Knöchel Knie 2. Knie?? (R.Engel) 16

17 Mögliche Ursachen für das Knie Maximale Energie in SN-Shockfronten limitiert Entweichen von KS ab einer bestimmten Energie aus der Galaxie Nicht indentifizierte Komponente in der Luftschauer-Entwicklung Einzelne nahe Quelle 17

18 Limitierte Energie in SN-Schockfronten Effizienz der Teilchenbeschleuniger nimmt ab Emax = ~Z B L 15 Emax Z 10 ev Beschleunigungsdauer 18

19 Energieabhängiges Entweichen aus der Galaxie Leaky Box Model Gyroradius ~1/(B Z) Entweichwahrscheinlichkeit ~ 1/Z Cut-off Z-abhängig 19

20 Unbekannte Komponente in der Luftschauerentwicklung Proton ~106 Teilchen Eisen 56 Nukleonen ~105 Teilchen unbekannte Komponente ab bestimmter Energie Faktor 56 zwischen den jeweiligen Cut-offs 20

21 Einzelne nahe Quellen Einzelne/wenige Quellen in der Nähe Hintergrund mit Überlagerung Z-Abhängigkeit 21

22 Messergebnisse KASCADE (SIBYLL2.1) (H. Ulrich) 22

23 Messergebnisse KASCADE (SIBYLL2.1) (H. Ulrich) 23

24 Messergebnisse KASCADE (SIBYLL2.1) (H. Ulrich) 24

25 Messergebnisse KASCADE (QGSJET 01) (H. Ulrich) 25

26 Messergebnisse KASCADE (QGSJET 01) (H. Ulrich) 26

27 Proton Helium Eisen 27

28 Höchste Energien (R.Engel) 28

29 Übergang zu extragal. KS Larmorradius Für Protonen: E1kpc = 2, ev E15kpc = ev Für Eisen: E1kpc = ev E15kpc = 1, ev 29

30 Übergang zu extragal. KS (M. Hillas) 30

31 Übergang zu extragal. KS (M. Hillas) 31

32 Höchste Energien: Propagation 32

33 GZK-Unterdrückung GZK: Greisen Zatsepin Kuzmin Warum theoretisch keine höheren Energien als E=6x1019eV? Über diesen Energien kommt es zur WW mit dem CMB p + γcmb Δ(1232) p + π0, n + π+ Teilchen mit diesen Energien benötigen 45Mpc bis Energieverlust durch solche WW 33

34 GZK-Unterdrückung AGASA Simulation für Protonen HiRes 34

35 Anisotropie? AGASA grüne Kreise: E > ,6 ev rote Kästchen: E > ev 35

36 GZK / UHECR Woher kommen die höchsternegetischen KS? Ankunftsrichtung zeigt auf kein bekanntes Objekt Was sind potentielle Kandidaten? 36

37 Quellen kosmischer Strahlung 37

38 Extragalaktische Quelle: Gamma-RayBursts (W. Zhang, S. Woosley) kurze (von 1/10s bis 100s) Ausbrüche von MeV Gamma-Rays Höchstenergetische Photonen 20 GeV Ursprung evtl. Hypernova weite Entfernung seltene Ereignisse 38

39 Extragalaktische Quelle: AGN Active Galactic Nuclei Ausdehnung: 0,02pc Magnetfeld: ~5G Hohes Strahlungsfeld im Innern --> Energieverlust Beschleunigung in Jets 39

40 Top-Down-Model Alternative zu Beschleunigungsmodell Superschwere X-Teilchen Überproduktion an Photonen? Komposition erklärbar? 40

41 Zusammenfassung Knie: verschiedenes Abknicken der Elemente Knöchel: Übergang zu extragalaktischer KS? Niederenergetische KS ist galaktischen Ursprungs Höchste Energien: Fluß? Isotropie? Zerfall? Beschleunigung? GZK-Unterdrückung? Element-Zusammensetzung? 41

42 Zusammenfassung / Ausblick Auger (EUSO) (OWL) 42

43 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 43

44 Literatur / Quellen T. K. Gaisser, Origin of Cosmic Rays J. Hörandel, Models of the knee in the energy spectrum of cosmic rays H. Ulrich, Indirect Measurements around the knee recent results from KASCADE A. M.Hillas, The Origin of Ultra-High-Energy Cosmic Rays J. Blümer, R. Engel, J. Hörandel, Review: Cosmic Rays from the Knee to the highest Energies M. Nagano, A. A. Watson, Observations and implications of the ultrahigh-energy cosmic rays A. Haungs, H. Rebel, M. Roth, Energy spectrum and mass composition of highenergy cosmic rays K.-H. Kampert, Cosmic Rays from teh knee to the Ankle Status and Prospects A. D. Erlykin, A. W. Wolfendale, The nature of the knee in the cosmic ray energy spectrum T. Stanev, High Energy Cosmic Rays C. Grupen, Astroteilchenphysik ; ; ; 44