1 Astroteilchenphysik Kosmische Strahlung auf der Erde Geladene Komponente (Kosmische Strahlung)...

1

Astroteilchenphysik

Kosmische Strahlung auf der Erde Geladene Komponente (Kosmische Strahlung) Photonen (>keV) Neutrinos

Kosmische Strahlung in unserer Galaxie Das interstellare Medium Sternentstehung und –entwicklung Wechselwirkung von rel. Elektronen und Protonen

Transport kosmischer Strahlung Ursprung der leichten Elemente „Confinement“ Volumen und kosmische Uhren

2

Kosmische Strahlung in unserer Galaxie

Das Interstellare Medium

Sternentstehung und -entwicklung

Wechselwirkung von KS

3

Ursprung Kosmischer Strahlung (KS)

Entstehung hochenergetischer Teilchen (Kerne, Elektronen, Photonen, Neutrinos…)

Beschleunigung von KS Galaktische Beschleuniger

(zB Supernova) Extragalaktische

Beschleuniger (zB Gamma Ray Bursts, GRB; Aktive Galaxien Kerne, AGN)

Wechselwirkung (WW) von KS auf dem Weg zur Erde

WW in der Quelle WW zwischen den Galaxien WW in der Galaxie

(Milchstrasse) WW im Sonnensystem WW in der Atmosphäre Wichtige WW

Gas (Molekülen) Staub Photonenfeldern Magnetfeldern

4

Beobachtbarkeit von elektromagnetischer Strahlung

5

Wechselwirkung in unserer Galaxie

Gas (direkt und indirekt) Proton-Proton (Kern) WW Ionisation Anregung von Gasatomen Fragmentation von schweren Kernen CoulombWW mit ionisiertem Gas Absorption von ionisierenden Photonen Photonenemission (s.u.)

Staub (indirekt) Rötung von Sternenlicht „Verdeckt“ Sterne im optischen Photonenemission (s.u.)

Photonenfelder (direkt) Photon-Proton (Kern) WW Photon-Photon Paarerzeugung Sternen (optischen und nah Infraroten ~0.1-1m) Staub (nah und fernes Infrarot (~1-100m) Gas (Linien und kont. Emission UV bis Infrarot) Synchrotronemission von rel. Elektronen (Radiobereich)

Magnetfelder (direkt) Synchrotronverluste Ablenkung Diffusion

Abhängig vom Weg des Teilchens !

6

Energiedichten im interstellaren Medium

Kosmische Strahlung 0.7 eV cm-3

„Thermische Strahlung“ (gesamtes Sternenlicht) 0.3 eV cm-3

Kinetische Energie der interstellaren Materie (106 Protonen m-3 mit 7kms-1) 0.2 eV cm-3

Galaktisches Magnetfeld B2/(20) (mit B = 2x10-10T) 0.1 eV cm-3

7

Milchstrasse

8

Dynamik in der Galaxie

Gas ist „gefangen“ in der Galaktischen Ebene

Gas bewegt sich kreisförmig um das Galaktische Zentrum

Differentielle Rotation der Scheibe der Galaxie

Sonne: 220 km s-1

Beobachtet vrot~konst. Festkörper vrot~r Kepler Orbit vrot~r-1/2

DARK MATTER

9

Spirale – aber wie ?

Orionarm

10

Dichte – Wellen – Theorie

• Sterne zirkulieren auf elliptischen Orbits• Hauptachsen sind parallel Balken (im Innern von Galaxien)• Hauptachsen sind Funktion von R Spiralstruktur

11

Simulation zur Spiralstruktur

12

Galaktische Koordinaten

13

Zwischen den Sternen

14

Teil der Galaktischen Ebene beobachtet mit H.E.S.S.

15

Interstellare Materie (ISM)

Gas 99% Wasserstoff 90% Helium 10% Metalle

Staub 1%

16

Interstellarer Staub

Dunkelwolken - Dunkelnebel Interstellare Extinktion und Rötung Polarisation von Sternenlicht Eigenschaften der Staubkörner

Größe Temperatur Eigenstrahlung

17

Dunkelwolken - Dunkelnebel

Entfernung 500-600 Lj Südwestlich vom „Kreuz

des Südens“ Kopf des „Emus“ ~90% des Lichts wird

absorbiert Konzentration entlang der

galaktischen Ebene („Teilung der Milchstrasse“)

10%-15% der Masse in der galaktischen Ebene

Kohlensack

18

Effekte des Staubs

Absorption Staub wird von

Sternenlicht erhitzt Temperatur T

Streuung Polarisation Andere Wellenlänge,

da Streuung für manche Wellenlängen effizienter

Thermische Emission Staubt strahlt wie ein

Schwarzkörper

19

Extinktion – E(B-V)

Farbexess: E(X-Y) = (X-Y)-(X-Y)0

B = 440 nm (blau) 0.44 m, 2.27V = 548 nm (visuell) 0.548 m, 1.82

~ Av = 3.1 E(B-V) (im Visuellen)Milchstrasse E(B-V)~0.05

20

Staubkörner

1 pro 100m3

Entstehung als „Asche“ in Supernova Ausbrüchen

Durchmesser D~ D gleiche Größenordnung wie

absorbiertes und gestreutes Licht (~100 nm)

Für D~0.6m und 3000 kg m-3

ergibt sich Staubkornmasse von 3x10-16kg

Chemische Zusammensetzung: Annahme: Fehlende Elemente im interstellaren Gas im Vergleich zur solaren Verteilung sind in Staub „gebunden“

Dissoziation bei T>1000K

21

Polyzyklische- Aromatische- Kohlenwasserstoffe

• bestehen aus Benzolringen • insgesamt 10-100 Kohlenstoffatome (blau) • Breite, diffuse Linienemission

PAHs (deutsch: PAKs)

22

Emission in unserer Galaxy

~400K(!)(PAH)

~70K (warmer Staub)

~20K (kalter Staub)

Temperatur

23

Interstellares Gas

Moleküle Linienemission (H2, CO,…)

Neutrales Gas (HI Regionen) UV Absorptionslinien 21cm Linie

Ionisiertes Gas (HII Regionen) H Linienemission (leuchtende Gasnebel)

Heißes koronales Gas

24

Molekülwolken

Molekularer Wasserstoff H2, CO, CS, HCN, …

(Beimischungen 0.001%) Moleküllinienemission Staubemission Dichteste Regionen (>1%

Volumen und 40% der Gesamtmasse der Milchstrasse)

Höchste Konzentration als Ring 3.5 – 7.5 kpc (Sonne 8,5 kpc)

Höhe 50-75 pc Verteilung in den Spiralarmen

Molekülwolke, bestehend aus dichtem Gas und Staub. Abgebrochen vom Carina Nebel.Ausdehnung ca 2 Lichtjahre.

25

Riesen-Molekülwolken

Riesen-Molekülwolken (104 -106 Ms)

Ausdehung bis zu 1-200 pc (3-600 Lj)

Dichte Kerne der Wolken sind Orte der Sternentstehung

Temperaturen 10K -30K (kühl)

Bernard 68

26

Wichtige Moleküle H2 und CO

H2 hat nur Linien im UV (stark absorbiert)

H2 Rotationsniveaus erst bei hohen Temperaturen möglich (20K alle e im Grundzustand)

H2 ist symmetrisch keine Dipolstrahlung

Relation CO/H2 ~10-4

CO Verteilung variiert nur wenig Beobachtung von CO ->

Indirekte Aussage über H2 Verteilung

CO emittiert Dipolstrahlung 12C16O (J=1 nach J=0

Angeregtes Rotationsniveau) 0 = 2.60 mm oder 115.27 GHz

27

Molekülbildung

Dichten sind zu kleine für thermodynamisches Gleichgewicht

Protonen aus kosmischer Strahlung ionisieren Wolken teilweise

Ionen reagieren zu Molekülen H2

++H2 H3++H

Katalytische Oberflächenreaktionen an Staubkörnern

UV Strahlung der Sterne wird vom Staub abgeschirmt, Moleküle werden nicht zerstört

28

OH Maser

Kompakte Quelle (<10AE) Hohe Intensitäten in OH-Radikal Linie bei l=18 cm Oft zirkuläre Polarisation Maser-Verstärkung (microwave amplification by

stimulated emission of radiation) Über „Pumpprozeß“(?) werden obere

Energieniveaus stark überbevölkert Strahlungsfeld derselben Frequenz induziert

kohärente Emission, die stärker ist als spontane Emission

29

HI Wolken (Diffuse Wolken)

Neutraler Wasserstoff H, C, O mit einigen C+,

Ca+

21 cm emission (1420MHz Radio)

Absorptionslinien 5% des Volumens und

40% der Masse Dichte ca. 106 – 108 m-3 Temperatur ~80K

30

Beobachtungen von HI in der Milchstrasse

Longair 17.3(b)

31

Verteilung in der Milchstrasse

Longair Abb.17.2

32

HII Wolken (ionisiertes Gas) Rosettennebel 3000 Lj entfernt Rot: Wasserstoffgas Grün: Sauerstoff Blau: Schwefel Offener Sternenclusterwind

lässt Loch im Zentrum entstehen

Zentralsterne ionisieren Gas

Staubfilamente bewegen sich durch den Nebel

33

Beobachtungen von HII Wolken in der Milchstrasse

Wasserstoffatom wird ionisiert durch Photon mit < 91.1mm (13.6 eV)

Photoelektron re-kombiniert mit Ion

Kaskade entsteht Jedes Lyman-

Photon erzeugt so ein H- Photon (n=3 nach n=2) mit 656.28 nm (Rot)

Longair Abb.17.3(a)

34

Strömgrensphäre

Ausdehung einer HII Region mit Radius R

Gleichgewichtszustand Nuv Anzahl der vom Stern emittierten UV

Photonen Rekombinationskoeffizient: [m3s-1]~2x10-16(Te[K])-3/4

Im vollständig ionisierten Plasma gilt ne=nion

RHII Strecke in der ionisierende Photonen „aufgebraucht“ werden

O-Stern: NUV~1049 Photonen s-1 ne~108m-3 und Te~104K RHII~3pc ne~106m-3 65pc

3/23/13/1

3

4

3

3

4

eUVHII

ioneHIIUV

nNR

nnRN

35

Warmes Zwischen-Wolken Medium (WIM)

H, H+, e- 10%-20% ionisiert 21 cm Linie,

Absorption, Ha Emission

40% des Volumens mit 20% Massenanteil

8000 K

36

Koronales Gas

Vollständig Ionisiert H+ e- O5+, C3+,.. Weiche Röntgenemission (0.1-2keV) OVI Linien ~50% Volumen bei 0.1% der Masse in

der Milchstrasse (geringe Dichte) Heiß mit T=106 K

37

Interstellares Gas - Überblick

Longair Table 17.1

38

Zwischen den Sternen

39

Interstellares Medium + Sternentsstehung

Longair