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Kosmische Strahlung auf der Erde
Spektrum Zusammensetzung direkte Beobachtungsmethoden indirekte Beobachtungemethoden Magnetfelder (HE) Photon- und Neutrinodetektion
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Luftschauer Experimente
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KASKCADE („Knie“)
• 200m x 200m (700m x 700m)• 252 + 37 Detektoren mit 13m Abstand• 16 Hütten bilden einen unabhängigen Cluster• Elektronikstation im Zentrum eines Clusters• Zentraler Detektor in der Mitte des Feldes• 1014-1018 eV• Streamertunnel für Myonen
KArlsruhe Shower Core and Array DEtector-Grande
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KASCADE Grande
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AUGER (1020eV)
1600 autarken, solarbetriebenden Oberflächendetektoren (SD) mit 1500 m Abstand
4x6 Floureszenz Detektoren (FD)
3000 km2 Detektorfeld 1450 m üNN Argentinien (Pampa)
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Atmosphärische Zustandsgrößen
molekularen Eigenschaften der Atmosphäre Temperatur Druck Dichte atmosphärische Tiefe relative Luftfeuchtigkeit
Heliumgefüllte Ballons bei 25 km üNN
1m3 Volumen Fallschirm zum Landen Vollautomatische Sensoren und
kleine Radiosonden Speicherung der Daten alle 3-4s
(8s max) LIDAR Technik zur Bestimmung
der Lichtstreuung vom Schauer zum Teleskop
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Elemente Zusammensetzung
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Elemente Zusammensetzung
Kerne mit höherem Z haben bei gleicher Energy kleineren Gyroradius=> KS bei hohen Energien besteht aus schwereren Kernen
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Photonen und Neutrinos
Photonenlimits bei Energien 10, 20 und 40 EeV
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Magnetfelder im Universum
Erdmagnetfeld Magnetfeld der Sonne Interplanetares Magnetfeld Galaktisches Magnetfeld Extragalaktische Magnetfelder
Galaxienhaufen Galaxien-Superhaufen Voids ?
Astronomische Objekte (Effizienz der Teilchenbeschleunigung)
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Erdmagnetfeld
Dipolfeld ähnlich wie Stabmagnet
Dipolachse und Erdachse leicht verschoben
Pole wandern ca. 30 km pro Jahr
Ursprung in rotierendem Eisenkern
Äquator: 30T oder 0.3 Gauß
Mitteleuropa: 48 T oder 0.48 Gauß
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Erdmagnetfeld - Sonnenwind
Erdmagnetfeld reflektiert Sonnenwind
Schockfront: Sonnenwind wird vom Erdmagnetfeld reflektiert
Zwischen Schockfront und Erde liegt die Magnetosphäre
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Sonnenwind Kosmische Strahlung von der
Sonne Niederenergetische Kosmische
Strahlung Ionisiert Atmosphäre Sonnenwind wird komplett vom
Erdmagnetfeld reflektiert Van Allen Gürtel: Hohe
Konzentration an geladenen Teilchen im Magnetfeld der Erde
Aurora Borealis (Nordlichter) Aurora Australis (Südlichter)
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Geladene Teilchen im Magnetfeld
Gyroradius m] Ladung ze Magnetfeld B [T] Impuls P 300 MeV: 1 m (1T) 1020eV: 30kpc
(3x10-10 T) Magnetische
Steifigkeit R [V]
Bz
p
zeB
pc
3.0
Bze
pcR
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Kosmische Strahlung (<104GeV) Abschwächung bei
E < 1GeV (103MeV) Effekt variiert mit
Sonnenzyklus: Solare Modulation (~11Jahre)
Steifigkeit (Rigidity) R = pc/ze = (A/z) (mpvc/e) p = Ampv rel. Dreierimpuls z Ladung A Massenzahl
(A/z) ~ 2 Variiert mit Beobachtungsort
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Erdmagnetfeld als Dipol
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4 r
pB m
Ideales Dipolfeld Dipolmoment pm und
= 10-7 TmA-1
Achsen um ca. 11.5° verdreht
Stormer Radius rs
„Kreisbahnen um Dipolachse in Äquatorebene“
222101.8 Ampm
R
pzepr mms
4400
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Ablenkung im Erdmagnetfeld
Positiv geladene Teilchen am Nordpol im Uhrzeigersinn auf Kreisbahn, von Osten nach Westen
Für rs=rE (rE=6.38x106m)
Positives Teilchen von Osten am Äquator braucht mindestens Steifigkeit Rs* um Erde zu erreichen
GVr
cp
ze
pcR
E
mS 6.56
4 20*
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Allgemeine Formel
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4
2
2*
)sincos11(
cos),,.(
r
rRrR Ess
Zenithwinkel (Nadir =180°) magnetische Breitengrad Azimutwinkel
=0° Bewegung nach magnetisch Süden =90° Bewegung nach magnetisch Westen =270° Bewegung nach magnetisch Osten
)90,90,0,(* EsS rRR
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Ost-West Effekt
Für Teilchen aus dem Westen ist Cut-off kleiner für pos. KS Teilchen kommt horizontal am Äquator aus
dem Westen 10.2 GV Teilchen kommt horizontal am Äquator aus
dem Osten 59.6 GV
GVRrR sEs 2.10)21(
1)270,90,0,(
2
*
20
„Rigidity Cut-off“
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Magnetfeld der Sonne
Ruhige Sonne: Dipolfeld Kehrt sich alle 22 Jahre um
(11 Jahre Zyklus) 100 T oder 1 Gauß Nur 0.01 nT in Erdnähe
(Abfall mit 1/r3) Gemessen wird aber ~nT
durch den Sonnenwind Aktive Sonne:
Sonnenflecken: (0.4 T oder 4000 Gauss,
Protuberanzen: Magnetschleifen in den Gas und Teilchen festgehalten werden
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Interplanetares Magnetfeld
~ nT (10-9 T = 10-5 Gauß)
Ursache ist der Sonnenwind
Elektrisch Leitendes Plasma führt Magnetfeld mit sich
Sonne wirkt wie ein MHD-Dynamo
Schockfront begrenzt Heliosphäre
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Galaktische(s) Magnetfeld(er) ~3x10-10T = 3G Halo (30kpc) Scheibe Magnetfeld folgt den Spiralarmen Ursprung noch nicht geklärt HI und HII Wolken 10 mal stärker Molekülwolken 100 mal stärker Zeeman Aufspaltung von OH
Masern nur 10-7T in sehr kleinen Gebieten
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Beobachtung von galaktischen Magnetfeldern
Methode Anzeigendes Medium
Aussage über
a) Polarisation des Sternenlicht
Staub Bs
b) Zeeman-Effekt der 21cm Linie
Neutraler Wasserstoff Bp
c) Synchrotronstrahlung Relativistische Elektronen
Bs
d) Faraday-Drehung Thermische Elektronen
Bp
Unsöld-Baschek „Der neue Kosmos“
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Polarisation des Sternenlichts
Staub absorbiert Sternenlicht
Reemission als polarisierte Wärmestrahlung
Staubteilchen in der Galaxie werden durch Magnetfeld ausgerichtet
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Zeemaneffekt
Spektroskopische Bestimmung des Magnetfeldstärke Polarisation, Aufspaltung oder Verbreiterung der Spektrallinien Homogenes Feld mit etwa <10 Tesla spaltet Energieniveaus auf
(Quantenzahlen L, S und J) „Russel-Sanders-Kopplung“ Effekt ist proportional zu B (2J+1) äquidistante Energiezustände mit magnetischer Quantenzahl –
J<Mj<+J Energieverschiebung E Für B=0.1T (1kG) und 0=500nm => Verschiebung um 1pm =10-3nm
(Sonnenfleck)
ejLSJ m
eBMgE
2
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Synchrotronstrahlung
2/)1(2/)1()( ssrBn
B Magnetfeldstärke nr Dichte der relativistischen Elektronen
s ~ 2.7 Exponent eines Potenzgesetzes der Elektronenverteilung Beobachtung im Radiobereich bei < 40GHz, wegen Abfall mit 1/ Abschätzung des mag. Energiedichte durch Äquipartition:
Energiedichte der rel. Elektronen+Protonen ist gleich der Energiedichte des Magnetfeldes
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Synchrotronbeobachtungen
Gesamte Radiostrahlung (Konturlinien)
polarisierte Radiostrahlung (Striche)
Galaxie M 51 gemessen mit den
Radioteleskopen Effelsberg und VLA bei 3.6-cm-Wellenlänge.
Das optische Bild im Hintergrund vom Hubble Space Telescope der NASA/ESA
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Faraday-Drehung
Drehung der Polarisationsebene
Drehwinkel [rad] Wellenlänge [m] Elektronendichte ne [m-3] Rotationsmaß RM [rad m-2] longitudinale Komponente Bp
[T] Entfernung zur Radioquelle L
[pc] Extragalaktische Objekte bis
zu 300 rad m-2
RM 2
dlBnRML
pe0
3101.8
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Extragalaktische Magnetfelder
Astronomische Objekte (Aktive Galaxienkerne aller Typen)
Galaxienhaufen Galaxien-Superhaufen Voids ?
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Magnetfelder im Universum