WS 2006: Galaktische und extragalaktische Kosmische Strahlung 1
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
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
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
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 10 12 Tera 10 18 Exa 10 9 Giga 10 15 Peta 10 21 Zeta 10 5
Das Spektrum der kosmischen Strahlung Merkmale: Knie 2. Knie (?) Knöchel Knöchel Knie GZKUnterdrückung (?) Potenzgesetz γ dn/de ~ E 6
Quellen, Beschleunigung, Ausbreitung, Messung 7
Quellen, Beschleunigung, Ausbreitung, Messung 8
Beschleunigungs-Mechanismus (s.a. Vortrag von Alexander Förste) Fermi-Beschleunigung Potenzgesetz 9
Unsere Galaxie Spiralgalaxie Magnetfeld ~3µG (Sonnensystem) Galaktische Ebene ~200 pc Radius: ~15-20 kpc Zentrum-Erde: ~8 kpc Halo 2-4kpc? 10
Direkte Messung KS (s.a. Vortrag von Markus Helfrich) Ballonflüge Satelliten Problem: zu kleine Fläche zur Messung UHECR 11
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
Elementare Zusammensetzung des Flusses 13
Indirekte Messung KS (s.a. Vortrag von Martin Will) höhere Statistik ungenauer KASCADE-Array im FZK Fluoreszenzteleskop AUGER 14
Das Knie der Kosmischen Strahlung direkt (R.Engel) indirekt 15
Das Knie der Kosmischen Strahlung Knöchel Knie 2. Knie?? (R.Engel) 16
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
Limitierte Energie in SN-Schockfronten Effizienz der Teilchenbeschleuniger nimmt ab Emax = ~Z B L 15 Emax Z 10 ev Beschleunigungsdauer 18
Energieabhängiges Entweichen aus der Galaxie Leaky Box Model Gyroradius ~1/(B Z) Entweichwahrscheinlichkeit ~ 1/Z Cut-off Z-abhängig 19
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
Einzelne nahe Quellen Einzelne/wenige Quellen in der Nähe Hintergrund mit Überlagerung Z-Abhängigkeit 21
Messergebnisse KASCADE (SIBYLL2.1) (H. Ulrich) 22
Messergebnisse KASCADE (SIBYLL2.1) (H. Ulrich) 23
Messergebnisse KASCADE (SIBYLL2.1) (H. Ulrich) 24
Messergebnisse KASCADE (QGSJET 01) (H. Ulrich) 25
Messergebnisse KASCADE (QGSJET 01) (H. Ulrich) 26
Proton Helium Eisen 27
Höchste Energien (R.Engel) 28
Übergang zu extragal. KS Larmorradius Für Protonen: E1kpc = 2,7 1018 ev E15kpc = 4 1019 ev Für Eisen: E1kpc = 7 1019 ev E15kpc = 1,1 1021 ev 29
Übergang zu extragal. KS (M. Hillas) 30
Übergang zu extragal. KS (M. Hillas) 31
Höchste Energien: Propagation 32
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
GZK-Unterdrückung AGASA Simulation für Protonen HiRes 34
Anisotropie? AGASA grüne Kreise: E > 4 1019,6 ev rote Kästchen: E > 4 1020 ev 35
GZK / UHECR Woher kommen die höchsternegetischen KS? Ankunftsrichtung zeigt auf kein bekanntes Objekt Was sind potentielle Kandidaten? 36
Quellen kosmischer Strahlung 37
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
Extragalaktische Quelle: AGN Active Galactic Nuclei Ausdehnung: 0,02pc Magnetfeld: ~5G Hohes Strahlungsfeld im Innern --> Energieverlust Beschleunigung in Jets 39
Top-Down-Model Alternative zu Beschleunigungsmodell Superschwere X-Teilchen Überproduktion an Photonen? Komposition erklärbar? 40
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
Zusammenfassung / Ausblick Auger (EUSO) (OWL) www.auger.de 42
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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 http://de.wikipedia.org ; www.astroteilchenphysik.de ; www.auger.org http://www-ik.fzk.de/kascade_home.html ; http://hires.physics.utah.edu/ 44