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Olber´sche Paradoxon

Wenn das Universum seit jeher
eine unendliche Zahl an
gleichmäßig verteilten Sternen
besitzt, dann gilt:



Die Gesamthelligkeit eines Sterns
ist unabhängig von der Entfernung
des Beobachters (d.h. Licht streut
erlischt aber nicht)
Ist das Universum unendlich groß,
ist auf jeder möglichen Sichtlinie
irgendwann ein Licht
ausstrahlender Himmelskörper,
sofern er nicht punktförmig ist
(siehe Bäume im Wald).
Daraus folgt: Jeder Punkt am
Himmel sollte dieselbe Helligkeit
wie die Oberfläche eines Sternes
besitzen.
Lösung



Endliche Zahl von Sternen mit
endlicher Lebensdauer (107 Jahre)
Endliches Alter des Universums (Licht
braucht länger von weitentfernten
Quellen)
Rotverschiebung (Licht ist nicht mehr
sichtbar)
Effekt der Rotverschiebung


X0 = beobachtete
Größe
X=X(t) Größe zur
kosmologischen Zeit t
0  
z



0   (1  z )

E0  E (1  z )
1
r0  r (1  z )
V0  V (1  z )
3
Kosmische Strahlung (KS) auf
der Erde
Spektrum und Zusammensetzung
der geladenen Komponente
 Magnetfelder
 Luftschauer
 Nachweismethoden

Ionisierende Strahlung (1910)

Radioaktive Strahlung





a –Strahlung He-Kerne
b - Strahlung eg – Strahlung Photonen
Theodor Wulf
verbessert Messgerät
(Wochen auf Tage)
Theorie: Ionisierenden
Strahlung in der Luft
entsteht durch
radioaktive Elemente
in der Erde
Wulf und der Eiffelturm (1910)






T. Wulf erklimmt Eiffelturm
Absorptionskoeffizient m
3.5x106 Ionen m-3
von g-Strahlung in Luft
Halbwertsdicke:
d1/2 = 120 m (Luft)
1) Falscher
Absorptionskoeffizient
2) Radioaktivität der
Instrumente
3) Radioaktive Elemente
in der Luft
6x106 Ionen m-3
330m
Hess und sein Ballon (1912)



7 Ballonflüge (bis 5km Höhe)
Ionisierungsrate nimmt mit der
Höhe zu
1936 Nobelpreis für Physik
Protokoll Viktor Hess,
7. August 1912
Mittlere Höhe
Beo
b.
Nr.
Zeit
1
15:1516:15
2
16:1517:15
3
17:1518:15
4
06:4507:45
1700
5
07:4508:45
6
Tempe
ratur
[°C]
Relativ
e
Feuchti
gkeit
[%]
Beobachtete Strahlung [ J ]
App.
I
qI [ J
]
App.
II
qII [ J
]
qIII[ J
]
qIIIred[
J]
17.3
12.9
-
-
-
-
15.9
11.9
18.4
18.4
-
-
15.8
11.2
17.5
17.5
-
-
1400
15.8
14.4
21.1
25.3
+ 6.4
60
2750
2500
17.3
13.3
22.5
31.2
+1.4
41
08:4509:45
3850
3600
19.8
16.5
21.8
35.2
- 6.8
64
7
09:4510:45
44005350
(4800)
4700
40.7
31.8
-
-
- 9.8
40
8
10:4511:15
4400
4200
28.1
22.7
-
-
-
-
9
11:1511:45
1300
1200
(9.7)
(11.5
)
-
-
-
-
10
11:4512:10
250
150
11.9
10.7
-
-
+ 16.0
68
11
12:2513:12
140
0
15.0
11.6
-
-
+18.0
76
absolut
[m]
156
relat
iv
[m]
0
App. III
Anmerkungen
Zwei Tage vor dem Aufstieg am Klubplatz
in Wien
1929 Geiger-Müller Zählrohr
1929 Photon oder Teilchen




„Hess ultra g-radiation“
1925 Milikan:
„Kosmische Strahlung“
1929 Geiger-Müller
Zählrohr ermöglicht
Detektion von
einzelnen Ereignissen
Bothe und Kolhörster
1929 messen
koinzidente Ereignisse
mit Genauigkeit von
0.01s
Experimentaler Aufbau der
Koinzidenz Messung Bothe und
Kolhörster, Zeitschrift für Physik,
56, 751 (1929)
1938 Ausgedehnte Schauer



1938 Teilchendetektoren, die
mehrere Meter auseinander
stehen, detektieren zum gleichen
Zeitpunkt Teilchen
Beobachtete Teilchen stammen
aus ausgedehnten
Teilchenschauern, die durch die
Wechselwirkung kosmischer
Strahlung mit der Atmosphäre
entstehen
Primäres Teilchen sollte etwa 1015
eV besessen haben
Pierre Auger
1949 Beschleuniger
Krebsnebel
E. Fermi stellt Theorie zur
Beschleunigung von Teilchen auf

Geladene Protonen werden dabei in
„magnetischen Spiegeln“ reflektiert
und erhalten so statistisch Energie

„Spiegel“ seien Unregelmäßigkeiten
in Magnetfeldern der Galaxie, zB
interstellare Gaswolken
Heute:

Klein-skalige
Magnetfeldunregelmäßigkeiten in
Supernovaüberresten

Beschleunigung in Supernova
Explosionen

Pulsaren

Relativistische Jets in aktiven
Galaxienkernen (AGN)

Galaxienhaufen

AGN
1966 „GZK cut-off“






1965 Entdeckung der kosmischen
Mikrowellenhintergrund-Strahlung
(CMB)
Wechselwirkung von
hochenergetischen Protonen mit
Photonen
pg cpp0 pg cnp,
Optische Tiefe: dt = n(e) s(e,E,..) dl
E ~ 3x1019eV:
Entfernung l < 100 Mpc
E ~ 2x1020 eV :
Entfernung l < 20 Mpc
Kenneth Greisen, Georgi Zatsepin
und Vadem Kuzmin (“GZK cut-off”)
1992-2008 „AUGER“





AUGER Projekt: Jim
Cronin und Alan
Watson
1600 Wassertanks mit
jeweils 12.000 l
Tanks stehen 1.5 km
auseinander
Gesamte Fläche
entspricht 10.000km2
Einweihung im
November 2008
Offene Fragen:





Was sind die Quellen der kosmischen
Strahlung ?
Wie werden Teilchen zu solch hohen
Energien beschleunigt ?
Wie breitet sich kosmische Strahlung im
interstellaren Medium bis zur Erde aus ?
Werden die Eigenschaften der Strahlung
dabei verändert ?
Was sind die höchsten Energien der
kosmischen Strahlung ?
Primäre kosmische Strahlung


Kosmische Strahlung,
ihren Ursprung in
einiger Entfernung der
Erdoberfläche jenseits
der Atmosphäre hat
Je nach Ursprung teilt
man sie in



Solare KS
Galaktische KS
Extragalaktische KS
Differentielles Energiespektrum

Teilchen pro
Energieintervall,
Fläche, Zeit und
Raumwinkelintervall
dN
N (E) 
dEdAddt
N ( E ) dE  K E g dE
Differentielles Energiespektrum
N ( E )dE  K  E g  E 2.5dE
Kosmische Strahlung (<104GeV)



Abschwächung bei
E < 1GeV (103MeV)
Effekt variiert mit
Sonnenzyklus: Solare
Modulation (~11Jahre)
Steifigkeit (Rigidity)
R = pc/ze = (A/z) (mpgvc/e)




p = gAmpv rel. Dreierimpuls
z Ladung
A Massenzahl
(A/z) ~ 2
Spektrum verschiedener
Elemente




Spektal index 2.5-2.7
E>103GeV totale
Energie
Primäre Elemente
werden in den Quellen
kosmischer Strahlung
(zB. SN) produziert
(Fe, C)
Sekundäre Elemente
entstehen durch
Spallation mit dem
interstellaren Gas (Ti,
V, K, B).
Anomale 4He Komponente




Anstieg bei E<60MeV
Ursache noch nicht geklärt
Wird schwächer mit zunehmender Nähe
zur Sonne
Keine einfache Korrelation mit Modellen
zur Sonnenmodulationen
Anomale 4He Komponente

Teilchen werde möglicherweise in den äußeren
Regionen der Heliosphäre beschleunigt.
Elektronen und Positronen






Positronen 10% Elektronenfluß
Sekundärteilchen
Primäre Elektronen schwierig zu
beobachten
Große Anzahl an sekundär
Elektronen in der Atmosphäre durch
Teilchenschauer
E3N(E)dE
mit N(E)dE ~ E-3.4dE m-2 s-1sr-1
E<1GeV Abschwächung durch
solare Modulation (E<10GeV)
Verluste durch
Synchrotronstrahlung
Casadei & Bindi (20049
Synchrotronverluste

8pr
sT  0
3
E
g
m0 c 2



Elektron
dE 4
 s T cb 2g 2U B
dt 3
2
Magnetfeld
Photon
Diffusionslänge:
r ~1 kpc (E/1TeV) -1
Strahlungsverlustzeit:
trad~2.1x105 (E/1TeV) -1 yr
Radioemission gibt
Aufschluss über Magnetfelder
M51, 11kpc, Whirlpool galaxy
Elemente-Häufigkeit
1.
2.
3.
4.
5.
Maxima bei C, N, O,
Fe
„Gerade-ungerade“
Effekt
Li, Be, B viel
zahlreicher in den CR
(Exzess)
Elemente < Fe
zahlreicher (Exzess)
H, He, weniger
vorhanden
Vergleiche Anzahl Elemente
in der kosmische Strahlung
und im Sonnensystem
Elemente-Häufigkeiten im
Sonnensystem
Elemente-Häufigkeit in der
Milchstrasse



Population I
Metallreiche Sterne,
Sonne, Scheibe, Zs=0.02
Population II
Metallarme Sterne, Halo,
Z=10-4 Zs
Population III
„Allerersten Sterne“ mit
primordialer
Zusammensetzung