Explodierte Sterne und Schwarze Löcher:
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- Hajo Goldschmidt
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1 Explodierte Sterne und Schwarze Löcher: Mit MAGIC der energiereichsten Strahlung im Universum auf der Spur 20. Oktober Robert Wagner Max-Planck-Institut für Physik München
2 Der Blick aus dem Fenster 20. Oktober
3 Faszination: Das Weltall im sichtbaren Licht Säulen der Entstehung Katzenaugennebel 20. Oktober
4 aber: neue Phänomene bei hohen Energien Optisches Bild Selbes Objekt Im Röntgenlicht 20. Oktober
5 1. Das Rätsel der kosmischen Strahlung 2. Astronomie mit Gammastrahlen 3. High-Tech: Cherenkov-Teleskope 4. Explodierende Sterne und schwarze Löcher 20. Oktober
6 Victor Hess Entdecker der kosmischen Strahlung Nobelpreis 1936 Ionisierende Strahlung nimmt mit der Höhe zu. 20. Oktober
7 7. August 1912: Die 7. Ballonfahrt bis 5300 m 20. Oktober
8 Was wissen wir über kosmische Strahlung? besteht hauptsächlich aus Wasserstoffkernen Fluss der kosmischen Strahlung Zusammensetzung wie in der Sonne Ungeklärt: Wo entstehen so extrem hohe Energien? Suche Quellen von hochenergetischem Licht Anteil der nat. Radioaktivität (50 kosmische Strahlen/Sekunde im Raum...) Strahlung aus allen Richtungen gleich Quellen unbekannt 20. Oktober Protonen und Atomkerne Teilchenbeschleuniger LHC am CERN Tennisball, 200 km/h
9 Photonen zeigen auf die Quelle! Typische Entfernung galaktischer Quellen: einige Kilo-parsec = 3000 Lichtjahre scheinbare Richtung der Quelle geladenes Teilchen Photon: elektrisch neutral 20. Oktober
10 Boten des nichtthermischen Universums Teilchenphysik: wo Kerne beschleunigt werden entstehen auch Photonen (und Neutrinos) p p e ± π 0 π ± γ ν γ Protonen/Kerne Elektronen/Positronen Inverse Compton- Strahlung (+Bremsstr.) 20. Oktober
11 Spektrum elektromagnetischer Strahlung Lichtquanten-Energie (E): E = h x ν 1 nev 1 µev 1 mev 1 ev 1 kev 1 MeV 1 GeV 1 TeV 20. Oktober
12 Radio Infrarot Sichtbares Licht Röntgen Gammastrahlen (ev) Staub verdeckt Blick auf Teile der Milchstraße Unsere Milchstraße 20. Oktober
13 Radio Infrarot Sichtbares Licht Röntgen Gammastrahlen (10-6 ev) 20. Oktober
14 Radio Infrarot Sichtbares Licht Röntgen Gammastrahlen (10-2 ev) 20. Oktober
15 Radio Infrarot Sichtbares Licht Röntgen Gammastrahlen (10 3 ev) 20. Oktober
16 Radio Infrarot Sichtbares Licht Röntgen Gammastrahlung (10 9 ev) Benötigen alle Wellenlängen für komplettes Bild! 20. Oktober
17 Höchstenergetische Gammastrahlen ( ev)? 20. Oktober
18 Absorption in der Atmosphäre Radio Infrarot Sichtbar. Ultraviolett Röntgen Gamma 500 km 100 km 10 km 0 km Nur sichtbares Licht, Radiowellen und teilweise infrarote Strahlung können die Atmosphäre durchdringen Ballons, Satelliten 20. Oktober
19 Satelliten-Teleskope Gamma - Fermi (2008) 20. Oktober Optisch - Hubble
20 Messung von hochenergetischer Gamma-Strahlung Satelliten? ca. 1 Photon pro Stunde auf 1 m 2 Satelliten zu klein => brauche größere Sammelfläche viele niederenergetische Photonen wenige hochenergetische Photonen 20. Oktober
21 Übersicht 1. Das Rätsel der kosmischen Strahlung 2. Astronomie mit Gammastrahlen 3. High-Tech: Cherenkov-Teleskope 4. Explodierende Sterne und schwarze Löcher 20. Oktober
22 Atmosphärische Luftschauer Victor Hess (1912) Pierre Auger (1938): Kosmische Strahlung löst Teilchenlawine aus 20. Oktober
23 Entstehung von Gamma-Quant Kaskaden Positron Elektron Luftatome Gamma-Quant 20. Oktober Elektron-Positron-Kaskade (Luftschauer)
24 Cherenkov-Licht geladene Teilchen schneller als Lichtgeschwindigkeit (im Medium z.b. Luft) strahlen blaues Cherenkov-Licht aus entspricht Mach-Kegel von Überschall-Flugzeugen 20. Oktober
25 Cherenkov-Licht geladene Teilchen schneller als Lichtgeschwindigkeit (im Medium, z.b. Luft) strahlen blaues Cherenkov-Licht aus P. A. Cherenkov (1934) blaues Leuchten in Kernreaktoren 20. Oktober
26 Gamma-Quant Luftschauer Messung von Gammastrahlen über Cherenkov-Licht der Luftschauer...Satellit, etwas vergrößert dargestellt... ~ 10 km ~ 1 o Cherenkov-Licht ~ 120 m 20. Oktober
27 Luftschauer-Rekonstruktion Fokalebene M Helligkeit Gamma-Energie Bild-Orientierung Ankunftsrichtung Bildform Teilchenart 20. Oktober
28 Übersicht 1. Das Rätsel der kosmischen Strahlung 2. Astronomie mit Gammastrahlen 3. High-Tech: Cherenkov-Teleskope 4. Explodierende Sterne und schwarze Löcher 20. Oktober
29 MAGIC: Die weltweit größten Luftschauer-Cherenkov-Teleskope 20. Oktober
30 Der Standort: La Palma, Kanaren La Palma 20. Oktober
31 La Palma 2200 m 20. Oktober
32 Technologische Meilensteine hochreflektierende Aluminium-Spiegel Leichtbauweise aus Kohlefaserrohren 17 m Durchmesser Spiegel (240 m 2 ) 20. Oktober
33 Laser-gesteuerte Spiegeljustierung 20. Oktober
34 Technologische Meilensteine hochreflektierende Aluminium-Spiegel Leichtbauweise aus Kohlefaserrohren Aktive Spiegelsteuerung Kamera: hochsensitive Lichtsensoren 20. Oktober 17 m Durchmesser Spiegel (240 m 2 )
35 Die Photomultiplier-Kamera Sehr lichtempfindliche, schnelle Lichtsensoren: Photomultiplier 20. Oktober
36 Übersicht 1. Das Rätsel der kosmischen Strahlung 2. High-Tech: Astronomie mit Gammastrahlen 3. Das MAGIC-Experiment 4. Explodierende Sterne und schwarze Löcher 20. Oktober
37 Hochenergie-Gamma-Astronomie (1 TeV = ev) 1989: Erster Nachweis von TeV-Gammastrahlen vom Krebsnebel durch das Whipple-Teleskop, Mt. Hopkins, Arizona 20. Oktober
38 100 bekannte Quellen Oktober
39 Woher kommt die kosmische Strahlung? Hinweise vor allem von Cherenkov-Teleskopen beste Kandidaten: Supernova-Überreste SN 1987A Cassiopeia A Tychos SNR 20. Oktober IC 443
40 Supernova-Schale gewaltige freigesetzte Energiemenge Sterbende Sterne: Supernovae Zwiebelschalenstruktur einer schweren Sonne neugeborener Neutronenstern Explosions-Schockwelle trägt so viel Energie, wie die Sonne in ihrem gesamten Leben abgestrahlt hat! Endstadium massereicher Sterne ~ 50 km 20. Oktober
41 Teilchenbeschleunigung? Warum Supernova-Überreste? - Große Energiefreisetzung: E SNR 10 E CR - Aber: Energie pro ausgeschleudertem Teilchen viel kleiner als Energie der Kosmischen Strahlung! Brauche zusätzliche Beschleunigung: - Beschleunigung in der Schockwelle Schockwelle 20. Oktober Enrico Fermi
42 Supernova 1006 Komposit-Bild optisch Radio Röntgen Beschleunigung in vielen kleinen Schritten: Viele 100 Zyklen notwendig Dauert sehr lange: Supernovae strahlen erst nach etlichen Jahrhunderten X-ray - NASA/CXC/Rutgers/G.Cassam-Chenai, J.Hughes et al.; Radio - NRAO/AUI/NSF/GBT/VLA/ Dyer, MPI Maddalena für Physik: & Cornwell; Tag der Optical offenen - Middlebury Tür College/F.Winkler, NOAO/AURA/NSF/CTIO Schmidt & R. DSSWagner: Gammastrahlungsastronomie mit MAGIC 20. Oktober
43 Ein berühmter Supernova-Überrest: Der Krebsnebel 1 Lichtjahr Pulsarwind Neutronenstern Neutronenstern (Pulsar): Masse unserer Sonne nur 10 km Radius 30 Umdrehungen pro Sekunde heizt den Nebel mit Elektronen höchster Energie 20. Oktober Chandra 2002 TeV Gammastrahlung vom Nebel...woher kommt die Energie?
44 Woher kommt die Gammastrahlung? Neue Erkenntnis 2008: Pulsation Counts x MAGIC >25 GeV Phase 20. Oktober
45 Aktive Galaktische Kerne NGC 3277: Normale Galaxie Radiobil Im Optischen 20. Oktober
46 Aktive Galaktische Kerne 5% aller Galaxien aktiv gewaltige Energieabgabe ( x Milchstraße!) Kern klein wie Sonnensystem, aber riesige Radio-Ohren Antriebsquelle der Jets: Zentrum: ein Materie aufsammelndes, super-massives, rotierendes schwarzes Loch mit >10 8 Sonnenmassen frißt 10 Sonnen/Tag! 20. Oktober
47 Die Kosmischen Kraftwerke: Aktive Galaktische Kerne 20. Oktober
48 Extrem große Jets: 3C 353 Wirtsgalaxie ~ Lichtjahre 20. Oktober
49 Schockbeschleunigung im Jet herausgeschleuderte Materie (Jets) Gamma-Strahlung 20. Oktober einfallende Materie schwarzes Loch M ~ 10 9 M Sonne
50 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) 20. Oktober
51 Variationen auf Minutenskala! Gemessen von MAGIC am 30. Juni 2005 Charakteristische Verdopplungszeit des Flusses: Nur 4 Min! Wir erinnern uns: Jets können riesig sein! ca. 20 Minuten Zeit ~ Lichtjahre Im Gegensatz dazu besagt diese Messung: Beschleunigung muß in einem Gebiet passieren, dessen Größe - mit der des zentralen schwarzen Lochs (!) Stichwort: Kausalität - mit der unseres Sonnensystems vergleichbar ist. 20. Oktober
52 Radio Röntgen HST-1 Kern Knoten D Knoten A Schönes Beispiel: Jet von M Oktober
53 Ganz aktuelle Ergebnisse! Wo entsteht die hochenergetische Gammastahlung genau? Problem: Auflösung der Cherenkovteleskope nicht gut genug Farbig: Das Gammalicht Höchaufgelöstes Radiobild Jeder Datenpunkt: eine Nacht 20. Oktober (von: HESS-Kollaboration)
54 Ganz aktuelle Ergebnisse! VERITAS Zusammenarbeit aller Cherenkovexperimente mit Radioteleskopen Ergebnisse am im renommierten Fachjournal Science erschienen MAGIC H.E.S.S. 20. Oktober
55 HST-1 Wo entsteht die Strahlung? nucleus knot D knot A 20. Oktober
56 Gammastrahlungsblitze (Gamma Ray Bursts) hellste bekannte Phänomene am Himmel überstrahlen für kurze Zeit den gesamten Gamma-Himmel: Ende der 1960er: Zufällige Endeckung durch Satelliten zur Überwachung von Atombombentests 20. Oktober
57 Was wissen wir über GRBs? Kurze ( sec), unregelmäßige Pulse Kommen aus allen Himmelsrichtungen Quellen sehr weit in den Tiefen des Universums (Rotverschiebung ~ 5-10) 20. Oktober
58 GRB-Beobachtung mit MAGIC Nur Satelliten sehen den ganzen Himmel und können GRBs entdecken GRB sehr kurz MAGIC muss schnell reagieren! Schnelle GRB Warnung... MAGIC kann in weniger als 30 Sekunden jede Stelle am Himmel anfahren 20. Oktober
59 GRB-Beobachtungen: Erste Ergebnisse GRB-Beobachtungsprogramm aktiviert seit April GRB mit MAGIC beobachtet 2 GRB während des Ausbruchs beobachtet Noch kein Signal gesehen GRB A aber: Auch Nicht-Beobachtung wichtiges Ergebnis! Bald hoffentlich mehr Glück 20. Oktober
60 Es gibt viel zu tun... μ-quasare Pulsarwind- Nebel Pulsare Galaktisches Zentrum AGN GRBs SNR Quellen der Kosmischen Strahlung Kosmologischer γ-horizont Quantengravitation Dunkle Materie 20. Oktober
61 Die nahe Zukunft: Cerenkov Telescope Array Der nächste Schritt: Etwa 100 Teleskope auf einer 10 km 2 großen Fläche Erwartung: etwa 1000 Quellen Konkrete Ideen im Raum, Abschluß der Planung, Erste Teleskope 2010/11, Au au des Detektors bis 2014? 20. Oktober
62 20. Oktober
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