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1Hauptseminar
WS 06/07Martin Vogel
Hauptseminar WS 2006:
Galaktische und
extragalaktische
Kosmische Strahlung
2Hauptseminar
WS 06/07Martin Vogel
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
3Hauptseminar
WS 06/07Martin Vogel
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
4Hauptseminar
WS 06/07Martin Vogel
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
5Hauptseminar
WS 06/07Martin Vogel
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: Mega 106 Giga 109
Tera 1012 Peta 1015
Exa 1018 Zeta 1021
6Hauptseminar
WS 06/07Martin Vogel
Das Spektrum der kosmischen Strahlung
Merkmale:● Knie● 2. Knie (?)● Knöchel● GZK-
Unterdrückung (?)● Potenzgesetz
dN/dE ~ EγKnie
Knöchel
7Hauptseminar
WS 06/07Martin Vogel
Quellen, Beschleunigung, Ausbreitung, Messung
8Hauptseminar
WS 06/07Martin Vogel
Quellen, Beschleunigung, Ausbreitung, Messung
9Hauptseminar
WS 06/07Martin Vogel
Beschleunigungs-Mechanismus(s.a. Vortrag von Alexander Förste)
Fermi-Beschleunigung
Potenzgesetz
10Hauptseminar
WS 06/07Martin Vogel
Unsere Galaxie
● Spiralgalaxie● Magnetfeld ~3µG
(Sonnensystem)● Galaktische Ebene ~200 pc● Radius: ~15-20 kpc● Zentrum-Erde: ~8 kpc● Halo 2-4kpc ?
11Hauptseminar
WS 06/07Martin Vogel
Direkte Messung KS(s.a. Vortrag von Markus Helfrich)
● Ballonflüge● Satelliten● Problem: zu kleine
Fläche zur Messung UHECR
12Hauptseminar
WS 06/07Martin Vogel
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.
13Hauptseminar
WS 06/07Martin Vogel
Elementare Zusammensetzung des Flusses
14Hauptseminar
WS 06/07Martin Vogel
Indirekte Messung KS(s.a. Vortrag von Martin Will)
KASCADE-Array im FZK
Fluoreszenzteleskop AUGER
● höhere Statistik● ungenauer
15Hauptseminar
WS 06/07Martin Vogel
Das Knie der Kosmischen Strahlung
direkt indirekt
(R.Engel)
16Hauptseminar
WS 06/07Martin Vogel
Das Knie der Kosmischen Strahlung
Knie
2. Knie ?
Knöchel
?(R.Engel)
17Hauptseminar
WS 06/07Martin Vogel
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
18Hauptseminar
WS 06/07Martin Vogel
Limitierte Energie in SN-Schockfronten
● Effizienz der Teilchenbeschleuniger nimmt ab
● Emax
= ~Z·B·L
● Emax
≈ Z∙1015eV
● Beschleunigungs-dauer
19Hauptseminar
WS 06/07Martin Vogel
Energieabhängiges Entweichen aus der Galaxie
● Leaky Box Model● Gyroradius ~1/(B·Z)● Entweichwahrscheinlichkeit
~ 1/Z● ⇨Cut-off Z-abhängig
20Hauptseminar
WS 06/07Martin Vogel
Unbekannte Komponente in der Luftschauerentwicklung
~105 Teilchen~106 Teilchen
Eisen 56 Nukleonen
Proton
● unbekannte Komponente ab bestimmter Energie
● Faktor 56 zwischen den jeweiligen Cut-offs
21Hauptseminar
WS 06/07Martin Vogel
Einzelne nahe Quellen
● Einzelne/wenige Quellen in der Nähe● Hintergrund mit Überlagerung● Z-Abhängigkeit
22Hauptseminar
WS 06/07Martin Vogel
Messergebnisse KASCADE (SIBYLL2.1)
(H. Ulrich)
23Hauptseminar
WS 06/07Martin Vogel
Messergebnisse KASCADE (SIBYLL2.1)
(H. Ulrich)
24Hauptseminar
WS 06/07Martin Vogel
Messergebnisse KASCADE (SIBYLL2.1)
(H. Ulrich)
25Hauptseminar
WS 06/07Martin Vogel
Messergebnisse KASCADE (QGSJET 01)
(H. Ulrich)
26Hauptseminar
WS 06/07Martin Vogel
Messergebnisse KASCADE (QGSJET 01)
(H. Ulrich)
27Hauptseminar
WS 06/07Martin Vogel
Proton
Helium
Eisen
28Hauptseminar
WS 06/07Martin Vogel
Höchste Energien
(R.Engel)
29Hauptseminar
WS 06/07Martin Vogel
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
30Hauptseminar
WS 06/07Martin Vogel
Übergang zu extragal. KS
(M. Hillas)
31Hauptseminar
WS 06/07Martin Vogel
Übergang zu extragal. KS
(M. Hillas)
32Hauptseminar
WS 06/07Martin Vogel
Höchste Energien: Propagation
33Hauptseminar
WS 06/07Martin Vogel
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
34Hauptseminar
WS 06/07Martin Vogel
GZK-Unterdrückung
AGASA
HiRes
Simulation für Protonen
35Hauptseminar
WS 06/07Martin Vogel
Anisotropie?
AGASA
● grüne Kreise: E > 4·1019,6 eV
● rote Kästchen: E > 4·1020 eV
36Hauptseminar
WS 06/07Martin Vogel
GZK / UHECR
● Woher kommen die höchsternegetischen KS?
● Ankunftsrichtung zeigt auf kein bekanntes Objekt
● Was sind potentielle Kandidaten?
37Hauptseminar
WS 06/07Martin Vogel
Quellen kosmischer Strahlung
38Hauptseminar
WS 06/07Martin Vogel
Extragalaktische Quelle: Gamma-Ray-Bursts
● kurze (von 1/10s bis 100s) Ausbrüche von MeV Gamma-Rays
● Höchstenergetische Photonen 20 GeV
● Ursprung evtl. Hypernova
● weite Entfernung● seltene Ereignisse
(W. Zhang, S. Woosley)
39Hauptseminar
WS 06/07Martin Vogel
Extragalaktische Quelle: AGN Active Galactic Nuclei
● Ausdehnung: 0,02pc● Magnetfeld: ~5G● Hohes Strahlungsfeld im
Innern --> Energieverlust● Beschleunigung in Jets
40Hauptseminar
WS 06/07Martin Vogel
Top-Down-Model
● Alternative zu Beschleunigungsmodell● Superschwere X-Teilchen● Überproduktion an Photonen?● Komposition erklärbar?
41Hauptseminar
WS 06/07Martin Vogel
Zusammenfassung
● Niederenergetische KS ist galaktischen Ursprungs
● Knie: verschiedenes Abknicken der Elemente● Knöchel: Übergang zu extragalaktischer KS?● Höchste Energien: Fluß? Isotropie? Zerfall?
Beschleunigung? GZK-Unterdrückung? Element-Zusammensetzung?
42Hauptseminar
WS 06/07Martin Vogel
Zusammenfassung / Ausblick
● Auger● (EUSO)● (OWL)
www.auger.de
43Hauptseminar
WS 06/07Martin Vogel
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
44Hauptseminar
WS 06/07Martin Vogel
Literatur / Quellen
● J. Blümer, R. Engel, J. Hörandel, Review: Cosmic Rays from the Knee to the highest Energies
● 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
● 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 high-energy 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/