Kosmische Strahlung in unserer Galaxie

Transkript

1 Kosmische Strahlung in unserer Galaxie Das Interstellare Medium Gas Staub Sternentstehung und -entwicklung Interstellares Photonenfeld Wechselwirkung von kosmischer Strahlung Photonen geladene Komonente 1

2 Photon-Photon Paarroduktion low e- high high e+ 2

3 Lokales interstellares Photonenfeld 3

4 Koordinatensystem 4

5 Interstellares Photonenfeld in der Galaxie 5

6 Krebsnebel 6

7 Teilchensorten Primäre und sekundäre Kerne (Protonen) Primäre und sekundäre lektronen Sekundäre Positronen 7

8 Wechselwirkung geladener Kosmischer Strahlung 1) Pion Produktion durch hadronische Welchselwirkung (KS und ISM) (katastrohaler Verlust + mission dominant > 100 MeV 2) Bremsstrahlung von relativistischen lektronen an Kernen des ISM (nergieverluste + mission wichtig <100MeV) 3) Inverse Comton Streuung von lektronen am interstellaren Photonenfeld (nergieverluste + mission wichtig <100 MeV) Synchrotronemission (nergieverlust + Radioemission) Ionisation (nergieverlust) Coulomb-Wechselwirkung (nergieverlust) 8

9 Galaktischer Gammastrahlungshintergrund Strong & Moskalenko (1998) 9

10 Wechselwirkung geladener Kosmischer Strahlung Pion Produktion durch hadronische Welchselwirkung (KS und ISM) Bremsstrahlung von relativistischen lektronen an Kernen des ISM Inverse Comton Streuung von lektronen am interstellaren Photonenfeld 10

11 Pion Produktion µ + + ν µ e + + ν e + ν µ +ν µ +Α.. Α+Α.. 11

12 η-meson Zerfall η η (39,4%) η 3 0 (32,5%) 6 η (22,6%) η + (5%) 3,2 Gammahotonen ro η Zerfall nergie für 3,2 Photonen: = 0.81 η 12

13 + + Pionen nergiesektrum nergie des Pions nergie des Protons x Übertragende nergie vom Proton auf das Pion Inklusiver totaler Wirkungsquerschnitt Grenzenergieübertrag x=m / F x = ( x, / ) = σ inel 3 d σ d 3 d 2 t F d ( x, ) = Φ( x, ) dx Φ(x, ) aus Simulationsrechnungen mit SYBILL, QGSJT 13

14 + + Pionen nergiesektren 0 ~ + ~ - Verteilung η Verteilung jeweils ein (KS) Proton mit nergien TeV Simulation SYBILL als Histogramm Parametrisierung als glatte Kurve Kelner,Aharonian & Bugayov(2006) 14

15 15 Pionenzerfall: 1. 0 nergieverteilung der Gammahotonen Q Pionensektrum J Anzahl der Photonen N = 2N Gesamtenergien ε = ε = = = Ν = = Ν = ) ( ) ( 2 ) ( ) ( 2 ) ( ε ε d J d Q d Q d J Q Beisiel: Potenzgesetz für Pionensektrum 0 Laborsystem + +

16 16 Pionenzerfall: 2. µν µ µ υ µ µ m m m m m m 2, = + = ν ν µ = = ( ) / ,max = = + = µ ν υ υ λ λ m m m µ ν ν µ Laborsystem Ruhesystem 0 = λ ν ν ν λ / ) ( ) ( d J Q + + µν µν µν µν Beisiel: Potenzgesetz für Pionensektrum

17 Myonenzerfall: µ eν e ν µ Beschreibung eines Dreikörerzerfall ist komlexer + + µν eνν µ,max = ( µ + µ ) mµ ννν lektron- und Neutrinosektren aus Myonenzerfall werden bis zur Pionenenergie reichen Unterschied zu Neutrinosektren aus Pionenzerfall. Die reichen nur bis 0.427! 17

18 nergiesektren aller Sekundärteilchen µν eννν ννν Monoenergetisches Pion (neutrales und geladenes haben gleiche nergie) Aller Verteilungen sind normiert: 1 dw dx = 1 dx 0 K, A & B (2006) 18

19 Vom Pion zurück zum Proton µν eννν ννν J (Ε ) J ( ) 19

20 KS-Protonenverteilung J (Ε ) J ( ) J ( ) = A α ex 0 β 20

21 Sekundärsektren für Protonenverteilung (ersetze durch e oder ν für weitere Sekundärsektren) dn d = cn H σ inel ( ) J ( ) F, d Parametrisierung bis >0.1 TeV Deltafunktionsnäherung <0.1 TeV 21

22 Sekundärteilchen Verteilung Kelner, Aharonian & Bugayov (2006) 22

23 Wechselwirkung geladener Kosmischer Strahlung Pion Produktion durch hadronische Welchselwirkung (KS und ISM) Bremsstrahlung von relativistischen lektronen an Kernen des ISM Inverse Comton Streuung von lektronen am interstellaren Photonenfeld 23

24 lektronen in unserer Galaxie lektronen und Positronen als Sekundärteilchen aus Pion-Zerfall lektronen als beschleunigte Primärteilchen Moskalenko & Strong (1998) 24

25 nergieverluste Strong & Moskalenko (1998) nh =nh II =0.01 cm-3 25

26 Diffusionsgleichung für lektronen Verteilung von lektronen zwischen und + : N()d -(d/d) = b() nergieverluste (os) und Gewinne (neg) Injektionsrate Q(,t) Betreten und Verlassen des Volumens durch Diffusion dn( ) dt d d [ b( ) N( ) ] = + Q(, t) Injektionsrate lektronen Q(, t) e e + D e e Volumen dv 2 26 e N( )

27 Steady-state Lösung Gleichmässige, unendliche Verteilung an Quellen injizieren rel. lektronen mit dem Sektrum Q()= k - Diffusion unwichtig d d [ b( ) N( ) ] = Q() 27

28 lektronen im ISM d d [ b( ) N( ) ] = Q( ) Integriere für N() 0, N( ) = ( ( 1) k 1) b( ) d b( ) = = A 1 ln A A3 dt + mec 2 Ionisationsverluste Bremsstrahlung IC, Synchrotron 28

29 Änderung des Anfangssektrums 1) Ionisationsverluste: N() -(-1) (flacher um ) 2) Bremsstrahlung N() - (unverändert) 3) IC, Synchrotronverluste N() -(+1) (steiler um ) 29

30 Wechselwirkung geladener Kosmischer Strahlung Pion Produktion durch hadronische Welchselwirkung (KS und ISM) Bremsstrahlung von relativistischen lektronen an Kernen des ISM Inverse Comton Streuung von lektronen am interstellaren Photonenfeld 30