WasmachteigentlichdietheoretischeAstroteilchenphysik?

AnatoliFedynitch(DESYTHAT/NEUCOS)

MassenverteilungimUniversum

DunkleEnergie68%

DunkleMaterie27%

Alleswaswirkennen (sehen)

5%

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Quelle:PLANCK

LichtalsInformationsträger

UmLicht,dasvon“Etwas”ausgeht sehen zu können,mussdieses“Etwas”LichtABSTRAHLEN.

EmissionundAbsorption• (Elektromagnetische)Strahlungwirdemittiert,wenn

• SichtbareMaterieeineTemperatur>0KbesitztundderelektromagnetischenWechselwirkungunterliegt

• ElektrischeLadungsichinbeschleunigterBewegungbefindet

• Teilchenprozessestattfinden,dieMaterieinLichtkonvertieren

• Strahlungwirdabsorbiert,wenn• MaterieimWegist(z.B.Nebel),d.h.Lichtkonvertiertin(thermische)Bewegungsenergie

• ElektromagnetischesPotenzial(z.B.Magnetfelder)LichtinMateriekonvertiert

• Teilchenprozessestattfinden,dieLichtinMateriekonvertieren

Temperaturstrahlung

e-

ge+

e-

VomPrinzipidentisch(„symmetrisch”)

DasBesondereanhohenEnergien

• DiePräsenzhochenergetischerStrahlung(Röntgen+Gamma)deutetauf• diePräsenzvonTeilchen,

• dieBeschleunigungvonTeilchen,

• undaufrelativistischeGeschwindigkeitenhin,

• d.h.aufnicht-thermische Prozesse.

• Eskannnichtdurchbesondersheißeoderbesondersschnellenicht-relativistischeQuellenaufGrundihrerTemperaturoderBewegungemittiertwerden

Astro +Teilchen=Astroteilchenphysik

Krebsnebelals”Standardkerze”

• SternalsSupernovaexplodiert(1054n.Chr.)

• Neutronensternrotiertundbläst(Elektronen-)WindgegenÜberreste

• GutesStudienobjekt(Standardkerze):• Alterbekannt• Entfernungbekannt• Zentrale/einzelneQuelle

• ErstvorwenigenJahrenalsTeilchenbeschleunigeridentifiziert

IdentifizierteQuellenhochenergetischerStrahlung

WosinddieTeilchen?...kommtnicht ausRichtungderQuelle

...kann aufdemWegabsorbiertwerden

...hinterlässtnurschwachesSignal

BahnenkosmischerStrahlen

Quelle:NASA

WasmachtdieTheorie?

• Astronomie=Beobachtung,Vermessung,Methoden...

• klassisch:Astrophysik=Modellierung+Interpretation+Verifikation(grundsätzlichtheoretisch)

• HeutigeTheorie:meistModellierungastrophysikalischerProzesseundQuellen(Computer)

ImFolgenden:ausgewählte(DESY)DisziplinenundaktuelleFragestellungen

Hydrodynamik

• Sterne:starkkomprimiertesGas

• InterstellaresMedium:Gas

• VerhaltenentsprichtFlüssigkeit beigroberBetrachtung(kontinuierlichesLimit)

• Hydrodynamik:WissenschaftderGaseundFlüssigkeiten

• SehrhoherRechenaufwand(MCPUh)

Quelle:SpitzerQuelle:Spitzer

NeutronensternimZentrumseinesVorgängers

• PräzedierendenNeutronensternimseinemVorgängerstern(14M☉)

• DurchsichtigeFlächen:Lorentzfaktor =Windgeschwindigkeit

• Farbflächen:Dichte

Itoetal.andM.Barkov,ApJ,2015

NeutronensternumkreistnormalenStern

Orbitd.Neutronensterns

Zentralstern

WinddesNeutronensterns

WinddesZentralsterns

Bosch-Ramon,M.Barkov, Perucho,2015

SterndurchquerteinenAGNJet

Bosch-Ramon,Perucho,M.Barkov,2012

Plasmaphysik

• Particle inCell (PIC)Simulationen:• HoherRechenaufwand• sehrkleineBereiche• DafüraberhoheAuflösung/Genauigkeit

• MikroskopischesVerhaltenastrophysikalischerPlasmen

• BedingungenfürTeilchenbeschleunigung?

• GruppeMartinPohl (THAT)

EntstehungvomPlasmawellendurchInstabilitäten

Multi-MessengerPierreAugerObs.

GibtesgemeinsameQuellen?

KönnenwirunterschiedlicheBeobachtungenfürganzheitliches

Verständnisnutzen?

IceCube,ICGen-2,KM3NeT

PierreAuger,TA,IceTop,…

HESS,CTA,…

AdvancedLIGO,LISA,ET,…

Kosmische Strahlen

Gamma-Astronomie

Neutrino-AstronomieGravitationswellen??

Atomkerne

Licht

Nukleonen

Neutrinos

Strahlungsmodelle

EmissionvonEnergie undMateriewellen Teilchenbeschleunigung Teilchen undPhotonproduktion

ZuKomplexumalleDetailsineinerSimulationzuberücksichtigen!

Beschleunigungszone Strahlungszone

Abstraktion!

Gruppe THAT/NEUCOSWalterWinter

Atomkerne

Licht

Nukleonen

Neutrinos

Transportgleichungen

Strahlungszone Beschleu-nigungszone

Spezies Ni

Veränderungder AnzahleinerSpeziesinderZeit

Energieverlust/AbstrahlungalsLicht

Teilchen Nj ausBeschleunigungszone

AusströmenausStrahlungszone

EinströmenausBeschleunigungszone

Teilchenentkommen aus

derQuelle

Resümee• TheoretischeAstroteilchenphysikisteinaktivesunddynamischesFeld!

• NeueGenerationenvonTeleskopen,Neutrino- undGravitationswellendetektorenkönntenNicht-VerstandeneserklärenundzuunerwartetenErkenntnissenführen

• VerfeinerungundEntwicklungimmerbessererModelledurchwachsendeZahlanBeobachtungen(Daten)undRechenleistung

• GanzheitlicheMulti-MessengerModelleundSimulationennoch„inKinderschuhen“mitvielEntwicklungspotenzial

FallsSiedasallesnichtinteressiert,dannhabenwirimmerhindiebestenAnimationen!!