ppt
Werbung
Astroteilchenphysik Kosmische Strahlung auf der Erde Kosmische Strahlung in unserer Galaxie Geladene Komponente (Kosmische Strahlung) Photonen (>keV) Neutrinos Das interstellare Medium Sternentstehung und –entwicklung Wechselwirkung von rel. Elektronen und Protonen Transport kosmischer Strahlung Ursprung der leichten Elemente „Confinement“ Volumen und kosmische Uhren 1 Kosmische Strahlung in unserer Galaxie Das Interstellare Medium Sternentstehung und -entwicklung Wechselwirkung von KS 2 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 3 Beobachtbarkeit von elektromagnetischer Strahlung 4 Wechselwirkung in unserer Galaxie Gas (direkt und indirekt) Staub (indirekt) Photon-Proton (Kern) WW Photon-Photon Paarerzeugung Sternen (optischen und nah Infraroten ~0.1-1mm) Staub (nah und fernes Infrarot (~1-100mm) Gas (Linien und kont. Emission UV bis Infrarot) Synchrotronemission von rel. Elektronen (Radiobereich) Magnetfelder (direkt) Rötung von Sternenlicht „Verdeckt“ Sterne im optischen Photonenemission (s.u.) Photonenfelder (direkt) Proton-Proton (Kern) WW Ionisation Anregung von Gasatomen Fragmentation von schweren Kernen CoulombWW mit ionisiertem Gas Absorption von ionisierenden Photonen Photonenemission (s.u.) Synchrotronverluste Ablenkung Diffusion Abhängig vom Weg des Teilchens ! 5 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/(2m0) (mit B = 2x10-10T) 0.1 eV cm-3 6 Milchstrasse 7 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 8 Spirale – aber wie ? Orionarm 9 Dichte – Wellen – Theorie • Sterne zirkulieren auf elliptischen Orbits • Hauptachsen sind parallel Balken (im Innern von Galaxien) • Hauptachsen sind Funktion von R Spiralstruktur 10 Simulation zur Spiralstruktur 11 Galaktische Koordinaten 12 Zwischen den Sternen 13 Teil der Galaktischen Ebene beobachtet mit H.E.S.S. 14 Interstellare Materie (ISM) Gas 99% Wasserstoff 90% Helium 10% Metalle Staub 1% 15 Interstellarer Staub Dunkelwolken - Dunkelnebel Interstellare Extinktion und Rötung Polarisation von Sternenlicht Eigenschaften der Staubkörner Größe Temperatur Eigenstrahlung 16 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 17 Effekte des Staubs Absorption Streuung Staub wird von Sternenlicht erhitzt Temperatur T Polarisation Andere Wellenlänge, da Streuung für manche Wellenlängen effizienter Thermische Emission Staubt strahlt wie ein Schwarzkörper 18 Extinktion – E(B-V) Farbexess: E(X-Y) = (X-Y)-(X-Y)0 B = 440 nm (blau) 0.44 mm, 2.27 V = 548 nm (visuell) 0.548 mm, 1.82 tl ~ Av = 3.1 E(B-V) (im Visuellen) 19 Milchstrasse E(B-V)~0.05 Staubkörner 1 pro 100m3 Entstehung als „Asche“ in Supernova Ausbrüchen Durchmesser D~l D gleiche Größenordnung wie absorbiertes und gestreutes Licht (~100 nm) Für D~0.6mm 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 20 PAHs (deutsch: PAKs) Polyzyklische- AromatischeKohlenwasserstoffe • bestehen aus Benzolringen • insgesamt 10-100 Kohlenstoffatome (blau) • Breite, diffuse Linienemission 21 Emission in unserer Galaxy Temperatur ~400K(!) ~70K ~20K (PAH) (warmer Staub) (kalter Staub) 22 Interstellares Gas Moleküle Neutrales Gas (HI Regionen) UV Absorptionslinien 21cm Linie Ionisiertes Gas (HII Regionen) Linienemission (H2, CO,…) Ha Linienemission (leuchtende Gasnebel) Heißes koronales Gas 23 Molekülwolken Molekülwolke, bestehend aus dichtem Gas und Staub. Abgebrochen vom Carina Nebel. Ausdehnung ca 2 Lichtjahre. 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 24 Riesen-Molekülwolken Bernard 68 RiesenMolekülwolken (104 -106 Ms) Ausdehung bis zu 1200 pc (3-600 Lj) Dichte Kerne der Wolken sind Orte der Sternentstehung Temperaturen 10K 30K (kühl) 25 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) l0 = 2.60 mm oder 115.27 GHz 26 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 27 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 28 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 29 Beobachtungen von HI in der Milchstrasse Longair 17.3(b) 30 Verteilung in der Milchstrasse Longair Abb.17.2 31 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 32 Beobachtungen von HII Wolken in der Milchstrasse Wasserstoffatom wird ionisiert durch Photon mit l < 91.1mm (13.6 eV) Photoelektron rekombiniert mit Ion Kaskade entsteht Jedes Lyman-a Photon erzeugt so ein H-a Photon (n=3 nach n=2) mit 656.28 nm (Rot) Longair Abb.17.3(a) 33 Strömgrensphäre Ausdehung einer HII Region mit Radius R Gleichgewichtszustand Nuv Anzahl der vom Stern emittierten UV Photonen Rekombinationskoeffizient: a [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 NUV 4 3 R HIIane nion 3 RHII 3 1/ 3 2 / 3 N ne UV 4a 1/ 3 ne~108m-3 und Te~104K RHII~3pc ne~106m-3 65pc 34 Warmes Zwischen-Wolken Medium (WIM) H, H+, e10%-20% ionisiert 21 cm Linie, Absorption, Ha Emission 40% des Volumens mit 20% Massenanteil 8000 K 35 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 36 Interstellares Gas - Überblick 37 Longair Table 17.1 Zwischen den Sternen 38 Interstellares Medium + Sternentsstehung Longair 39
