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Kosmische Strahlung auf der Erde Spektrum Zusammensetzung direkte Beobachtungsmethoden indirekte Beobachtungemethoden Magnetfelder (HE) Photon- und Neutrinodetektion 1 Luftschauer Experimente 2 KASKCADE („Knie“) KArlsruhe Shower Core and Array DEtector-Grande • 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 3 KASCADE Grande 4 AUGER (1020eV) 1600 autarken, solarbetriebenden Oberflächendetektoren (SD) mit 1500 m Abstand 4x6 Floureszenz Detektoren (FD) 3000 km2 Detektorfeld 1450 m üNN Argentinien (Pampa) 5 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 6 Elemente Zusammensetzung 7 Elemente Zusammensetzung Kerne mit höherem Z haben bei gleicher Energy kleineren Gyroradius => KS bei hohen Energien besteht aus schwereren Kernen 8 Photonen und Neutrinos Photonenlimits bei Energien 10, 20 und 40 EeV 9 Magnetfelder im Universum Erdmagnetfeld Magnetfeld der Sonne Interplanetares Magnetfeld Galaktisches Magnetfeld Extragalaktische Magnetfelder Galaxienhaufen Galaxien-Superhaufen Voids ? Astronomische Objekte (Effizienz der Teilchenbeschleunigung) 10 Erdmagnetfeld Dipolfeld ähnlich wie Stabmagnet Dipolachse und Erdachse leicht verschoben Pole wandern ca. 30 km pro Jahr Ursprung in rotierendem Eisenkern Äquator: 30mT oder 0.3 Gauß Mitteleuropa: 48 mT oder 0.48 Gauß 11 Erdmagnetfeld - Sonnenwind Erdmagnetfeld reflektiert Sonnenwind Schockfront: Sonnenwind wird vom Erdmagnetfeld reflektiert Zwischen Schockfront und Erde liegt die Magnetosphäre 12 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) 13 Geladene Teilchen im Magnetfeld Gyroradius r [m] Ladung ze Magnetfeld B [T] Impuls P 300 MeV: 1 m (1T) 1020eV: 30kpc (3x10-10 T) Magnetische Steifigkeit R [V] pc p r zeB z 0.3 B pc R rB ze 14 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 Variiert mit Beobachtungsort 15 Erdmagnetfeld als Dipol m 0 pm B 3 4 r pm 8.1 10 22 Am 2 m0 pm ze m 0 pm rs 4r 4R Ideales Dipolfeld Dipolmoment pm und m0/4 = 10-7 TmA-1 Achsen um ca. 11.5° verdreht Stormer Radius rs „Kreisbahnen um Dipolachse16 in Äquatorebene“ 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 pc m 0 pm c RS 56.6GV 2 ze 4 r E * 17 Allgemeine Formel rE cos 4 Rs (r. , , ) Rs 2 r (1 1 cos 3 sin ) 2 2 * RS Rs (rE ,0,90,90) * Zenithwinkel (Nadir =180°) magnetische Breitengrad Azimutwinkel =0° Bewegung nach magnetisch Süden =90° Bewegung nach magnetisch Westen =270° Bewegung nach magnetisch Osten 18 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 Rs (rE ,0,90,270) Rs * 1 (1 2 ) 2 10.2GV 19 „Rigidity Cut-off“ 20 Magnetfeld der Sonne Ruhige Sonne: Dipolfeld Kehrt sich alle 22 Jahre um (11 Jahre Zyklus) 100 mT 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 21 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 22 Galaktische(s) Magnetfeld(er) ~3x10-10T = 3mG 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 23 Beobachtung von galaktischen Magnetfeldern Methode Anzeigendes Aussage Medium 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 24 Unsöld-Baschek „Der neue Kosmos“ Polarisation des Sternenlichts Staub absorbiert Sternenlicht Reemission als polarisierte Wärmestrahlung Staubteilchen in der Galaxie werden durch Magnetfeld ausgerichtet 25 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 DE Für B=0.1T (1kG) und 0=500nm => Verschiebung um 1pm =10-3nm (Sonnenfleck) eB DE g LSJ M j 2me 26 Synchrotronstrahlung ( ) nr B ( s 1) / 2 (1 s ) / 2 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 27 Synchrotronbeobachtungen Gesamte Radiostrahlung (Konturlinien) polarisierte Radiostrahlung (Striche) Galaxie M 51 gemessen mit den Radioteleskopen Effelsberg und VLA bei 3.6-cmWellenlänge. Das optische Bild im Hintergrund vom Hubble Space Telescope der NASA/ESA 28 Faraday-Drehung Drehung der Polarisationsebene Drehwinkel y [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 L RM 8.110 ne B p dl 3 0 29 Extragalaktische Magnetfelder Astronomische Objekte (Aktive Galaxienkerne aller Typen) Galaxienhaufen Galaxien-Superhaufen Voids ? 30 Magnetfelder im Universum 31
