Gigantische Explosionen – das Universum bei - Fortbildung

Gigantische Explosionen
Gammaastronomie - das Universum bei höchsten Energien
Gernot Maier
Credit: Stephane Vetter (Nuits sacrees)
Gernot Maier | Gigantische Explosionen | Mai 2011 |
Gernot Maier | Gigantische Explosionen | Mai 2011 |
Kollidierende Galaxien
Gernot Maier | Gigantische Explosionen | Mai 2011 |
Licht = Elektromagnetische Strahlung
e
l
l
e
W
n
e
h
c
l
i
Te
Frequenz, Energie, Temperatur
750 nm
400 nm
Wellenlänge
Gernot Maier | Gigantische Explosionen | Mai 2011 |
Licht = Elektromagnetische Strahlung
e
l
l
e
W
n
e
h
c
l
i
Te
Frequenz, Energie, Temperatur
1K
Radio
100 K
1,000 K
108 K
1010 K
Infrarot
Ultraviolet
Gamma
Mikrowellen
Sichtbar
Röntgen
1 m - 1 km
1 cm
1 μm - 1 mm 400-700 nm
10 - 400 nm
0.01 - 10 nm
Wellenlänge
Gernot Maier | Gigantische Explosionen | Mai 2011 |
< 0.01 nm
Licht = Elektromagnetische Strahlung
Frequenz, Energie, Temperatur
1K
Radio
100 K
1,000 K
108 K
1010 K
Infrarot
Ultraviolet
Gamma
Mikrowellen
Sichtbar
Röntgen
1 m - 1 km
1 cm
1 μm - 1 mm 400-700 nm
10 - 400 nm
0.01 - 10 nm
Wellenlänge
Gernot Maier | Gigantische Explosionen | Mai 2011 |
< 0.01 nm
Licht = Elektromagnetische Strahlung
Teilchenphysikalische
Prozesse
Frequenz, Energie, Temperatur
1K
Radio
100 K
1,000 K
108 K
1010 K
Infrarot
Ultraviolet
Gamma
Mikrowellen
Sichtbar
Röntgen
1 m - 1 km
1 cm
1 μm - 1 mm 400-700 nm
10 - 400 nm
0.01 - 10 nm
Wellenlänge
Gernot Maier | Gigantische Explosionen | Mai 2011 |
< 0.01 nm
sichtbares Licht
Gernot Maier | Gigantische Explosionen | Mai 2011 |
sichtbares Licht
Röntgen
Infrarot
Gernot Maier | Gigantische Explosionen | Mai 2011 |
Unsere Galaxie - die Milchstrasse
Two Micron All Sky Image
~300 Milliarden Sterne in der Milchstrasse
Gernot Maier | Gigantische Explosionen | Mai 2011 |
Unsere Galaxie - die Milchstrasse
Two Micron All Sky Image
Gernot Maier | Gigantische Explosionen | Mai 2011 |
Unsere Galaxie - die Milchstrasse
Sichtbar
heiße Sterne
Gernot Maier | Gigantische Explosionen | Mai 2011 |
Unsere Galaxie - die Milchstrasse
Infrarot
Staub
Sichtbar
heiße Sterne
Gernot Maier | Gigantische Explosionen | Mai 2011 |
Unsere Galaxie - die Milchstrasse
Radio 21cm
kaltes Gas
Infrarot
Staub
Sichtbar
heiße Sterne
Gernot Maier | Gigantische Explosionen | Mai 2011 |
Unsere Galaxie - die Milchstrasse
Radio 21cm
kaltes Gas
Infrarot
Staub
Sichtbar
heiße Sterne
Röntgen
sehr heißes Gas
Gernot Maier | Gigantische Explosionen | Mai 2011 |
Unsere Galaxie - die Milchstrasse
Radio
hochenergetische
Teilchen in
Magnetfeldern
Radio 21cm
kaltes Gas
Infrarot
Staub
Sichtbar
heiße Sterne
Röntgen
sehr heißes Gas
Gernot Maier | Gigantische Explosionen | Mai 2011 |
Unsere Galaxie - die Milchstrasse
Radio
hochenergetische
Teilchen in
Magnetfeldern
Radio 21cm
kaltes Gas
Infrarot
Staub
Sichtbar
heiße Sterne
Röntgen
sehr heißes Gas
Gamma
hochenergetische
Teilchen
Gernot Maier | Gigantische Explosionen | Mai 2011 |
Unsere Galaxie - die Milchstrasse
Radio
hochenergetische
Teilchen in
Magnetfeldern
Radio 21cm
kaltes Gas
Infrarot
Staub
Sichtbar
heiße Sterne
Röntgen
sehr heißes Gas
Gamma
hochenergetische
Teilchen
Woher kommen diese hochenergetischen Teilchen?
Gernot Maier | Gigantische Explosionen | Mai 2011 |
Kosmische Strahlung
besteht hauptsächlich aus Elektronen, Protonen, Helium-Kernen
weiter Energiebereich: 1000 eV bis 100.000.000.000.000.000.000 = 1020 eV
Viktor Hess (1912)
Nobelpreis 1936
Siebente Ballonfahrt
von Hess
Gernot Maier | Gigantische Explosionen | Mai 2011 |
≈2
0J
Kosmische Strahlung
besteht hauptsächlich aus Elektronen, Protonen, Helium-Kernen
http://www.wissensnetz.org/
weiter Energiebereich: 1000 eV bis 100.000.000.000.000.000.000 = 1020 eV
Viktor Hess (1912)
Nobelpreis 1936
Gernot Maier | Gigantische Explosionen | Mai 2011 |
≈2
0J
LHC in Genf
Zum Vergleich die größte Machine der Welt:
Maximale Energie: 7 TeV = 7 x 1012 eV
Gernot Maier | Gigantische Explosionen | Mai 2011 |
Wie funktionieren die kosmischen
Teilchenbeschleuniger?
Was ist der Ursprung der
kosmischen Strahlung?
Physik unter extremen Bedingungen
(Energien, Elektromagnetische Felder, Gravitationsfelder, ...)
Gernot Maier | Gigantische Explosionen | Mai 2011 |
Kosmische Strahlung - Gammastrahlung
Gernot Maier | Gigantische Explosionen | Mai 2011 |
Kosmische Strahlung - Gammastrahlung
Compton Streuung
Elektron-Photon Kollision
Elektron mit
hoher Energie
Elektron mit
niedriger Energie
γ (Photon)
Lichtteilchen mit
niedriger Energie
Lichtteilchen mit
hoher Energie
Gernot Maier | Gigantische Explosionen | Mai 2011 |
Kosmische Strahlung - Gammastrahlung
Compton Streuung
Teilchenzerfall
Elektron-Photon Kollision
Proton-Proton Kollision
Elektron mit
hoher Energie
Elektron mit
niedriger Energie
Proton
π+
π-
γs
(Photonen)
π0
γ (Photon)
Proton
Lichtteilchen mit
niedriger Energie
Lichtteilchen mit
hoher Energie
Lichtteilchen mit
hoher Energie
Gernot Maier | Gigantische Explosionen | Mai 2011 |
Quellen kosmischer Gammastrahlung
300 Milliarden Sterne in der Milchstrasse
100 Quellen kosmischer Gammastrahlung (>1012 GeV)
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Quellen kosmischer Gammastrahlung
300 Milliarden Sterne in der Milchstrasse
100 Quellen kosmischer Gammastrahlung (>1012 GeV)
Supernova
Pulsar Windnebel
Doppelsterne
Starburst
Galaxies
Aktive
Galaxien
Gamma Ray
Bursts
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Supernovae
explodierende Sterne
Gernot Maier | Gigantische Explosionen | Mai 2011 |
Energieproduktion in Sternen
Sterne bestehen überwiegend aus Wasserstoff und Helium Gas
Gernot Maier | Gigantische Explosionen | Mai 2011 |
Energieproduktion in Sternen
Sterne bestehen überwiegend aus Wasserstoff und Helium Gas
Energieproduktion
durch Fusion im
Zentrum des Sternes:
Wasserstoffbrennen
Heliumbrennen
...
Gernot Maier | Gigantische Explosionen | Mai 2011 |
Energieproduktion in Sternen
Sterne bestehen überwiegend aus Wasserstoff und Helium Gas
Energieproduktion
durch Fusion im
Zentrum des Sternes:
Wasserstoffbrennen
Heliumbrennen
...
Gravitation erzeugt
Druck nach innen
Fuionsreaktionen
erzeugen Druck
nach außen
Gernot Maier | Gigantische Explosionen | Mai 2011 |
Energieproduktion in Sternen
Sterne bestehen überwiegend aus Wasserstoff und Helium Gas
Energieproduktion
durch Fusion im
Zentrum des Sternes:
Wasserstoffbrennen
Heliumbrennen
...
Gravitation erzeugt
Druck nach innen
Fuionsreaktionen
erzeugen Druck
nach außen
Was passiert wenn der Treibstoff
(Wasserstoff, Helium) ausgeht?
Gernot Maier | Gigantische Explosionen | Mai 2011 |
Massive Sterne explodieren zu Supernovae
Gernot Maier | Gigantische Explosionen | Mai 2011 |
SN 1987 A
Gernot Maier | Gigantische Explosionen | Mai 2011 |
SN 1987 A
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Tychos Supernova (1572)
Gernot Maier | Gigantische Explosionen | Mai 2011 |
heißer Überrest
(Millionen Grad Celsius)
Tychos Supernova (1572)
Gernot Maier | Gigantische Explosionen | Mai 2011 |
heißer Überrest
(Millionen Grad Celsius)
Tychos Supernova (1572)
Teilchenbeschleunigung
in Schockfront
Gernot Maier | Gigantische Explosionen | Mai 2011 |
≈3000 km/s
Supernovae sind wohl einer der
Quellen der kosmischer Strahlung.
(das sagen wir seit über 60 Jahren...)
Gernot Maier | Gigantische Explosionen | Mai 2011 |
Neutronensterne - kosmische Uhren
Neutronensterne sind einer der möglichen Endstadien
für einen schweren Stern
Extreme Dichte: 1 Teelöffel ‘Neutronensternmaterie’
wiegt 1 Milliarde Tonne
Unter den besten Uhren die wir kennen:
z.B. PSR 1937+214: Periode=0.00155780644887275
s
Gernot Maier | Gigantische Explosionen | Mai 2011 |
Neutronensterne - Pulsare
Pulsare sind rotierende Neutronensterne
Pulsar emittieren Gammastrahlen bei
sehr hohen Energien (Wie?)
Gernot Maier | Gigantische Explosionen | Mai 2011 |
Aktive Galaxien
Superschwere schwarze Löcher
Gernot Maier | Gigantische Explosionen | Mai 2011 |
Schwarze Löcher
Objekte hoher Dichte: Gravitation ist so stark, daß nichts
dieses Objekt verlassen kann (selbst Licht nicht)
In ausreichender Entfernung: kein Unterschied zwischen einem
schwarzen Loch und einem Objekt gleicher Masse spürbar
Gernot Maier | Gigantische Explosionen | Mai 2011 |
Das Zentrum der Milchstrasse
Schwarzes Loch mit 4 Millionen
Sonnenmassen
Gernot Maier | Gigantische Explosionen | Mai 2011 |
Aktive Galaktische Kerne
Gernot Maier | Gigantische Explosionen | Mai 2011 |
Aktive Galaktische Kerne
extrem helles
Zentrum der Galaxie
Schwarzes Loch mit
109 Sonnenmassen
Gernot Maier | Gigantische Explosionen | Mai 2011 |
Aktive Galaktische Kerne
ur Je
fg t:
Li es Ma
ch ch te
tg w rie
es ind s
ch ig tra
w ke hl
in it m
di en it
gk n
ei ah
t
e
re
h
h
a
tj
0
0
0
Au
sw
5
c
i
L
=
5
r
0
1
x
de
16
km
extrem helles
Zentrum der Galaxie
Schwarzes Loch mit
109 Sonnenmassen
Gernot Maier | Gigantische Explosionen | Mai 2011 |
Aktive Galaktische Kerne
ur Je
fg t:
Li es Ma
ch ch te
tg w rie
es ind s
ch ig tra
w ke hl
in it m
di en it
gk n
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t
e
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h
h
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tj
0
0
0
Au
sw
5
c
i
L
=
extrem helles
Zentrum der Galaxie
5
r
0
1
x
de
16
km
Möglicherweise
Quellen der
kosmischen Strahlung
Schwarzes Loch mit
109 Sonnenmassen
Gernot Maier | Gigantische Explosionen | Mai 2011 |
W Comae - ein Aktiver Galakischer Kern
2
Energie pro Zeitν Fund
Fläche
ν [ergs/s/cm ]
7./8. Juni 2008
10-9
Radio
Sichtbar
SSC model
Röntgen
Gamma
MJD 54624.0-54626.0
SSC+EC model
10-10
n
e
n 2 /s
o
i
ill /m
M ns
0
1 oto
ph
10-11
-12
10
1p
ho
disk
-13
10
SSC
to
n/
m2
/Ta
g
EC
sync
10-14
10
12
14
16
18
20
22
Energie pro Zeit und Fläche
24
26
28
log10 ν [Hz]
Gernot Maier | Gigantische Explosionen | Mai 2011 |
W Comae - ein Aktiver Galakischer Kern
2
Energie pro Zeitν Fund
Fläche
ν [ergs/s/cm ]
9. Juni 2008
10-9
Radio
Sichtbar
SSC model
Röntgen
Gamma
MJD 54626.0-54626.9
SSC+EC model
10-10
10-11
10-12
SSC
disk
-13
10
EC
sync
10-14
10
12
14
16
18
20
22
Energie pro Zeit und Fläche
24
26
28
log10 ν [Hz]
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Teleskope
CTA
Gernot Maier | Gigantische Explosionen | Mai 2011 |
Unsere Galaxie - die Milchstrasse
Radio
hochenergetische
Teilchen in Magnetfeldern
Radio 21cm
kaltes Gas
Infrarot
Staub
Sichtbar
heiße Sterne
Röntgen
sehr heißes Gas
Gamma
hochenergetische
Teilchen
Vielzahl unterschiedlicher Teleskope
Gernot Maier | Gigantische Explosionen | Mai 2011 |
Arecibo (Radio)
Teleskope
Fermi (Gammastrahlung)
VLT (sichtbarer Bereich)
Auger
(kosmische Strahlen)
Spitzer (IR)
Suzaku (Röntgen)
VERITAS (Gammastrahlen)
LIGO (Gravitationswellen)
IceCube
(Neutrinos)
Gernot Maier | Gigantische Explosionen | Mai 2011 |
Gernot Maier | Gigantische Explosionen | Mai 2011 |
Messung von Gammastrahlung
Atmosphäre undurchlässig für
Gammastrahlen
Atmosphäre
Erde
Gernot Maier | Gigantische Explosionen | Mai 2011 |
Messung von Gammastrahlung
Atmosphäre undurchlässig für
Gammastrahlen
GammaPhoton
Atmosphäre
Erde
Gernot Maier | Gigantische Explosionen | Mai 2011 |
Messung von Gammastrahlung
Atmosphäre undurchlässig für
Gammastrahlen
GammaPhoton
Teilchenschauer in der
Atmosphäre
Atmosphäre
Erde
Gernot Maier | Gigantische Explosionen | Mai 2011 |
Messung von Gammastrahlung
Atmosphäre undurchlässig für
Gammastrahlen
GammaPhoton
Teilchenschauer in der
Atmosphäre
TscherenkowLicht
Atmosphäre
Tscherenkow-Licht
von Luftschauern:
schwacher, extrem
kurzer bläulicher
Lichtblitz
Teleskope:
Nanosekunden
Belichtungszeit
Sensitivität auf einzelne
Photonen/m2
Erde
Gernot Maier | Gigantische Explosionen | Mai 2011 |
Ein CTA Teleskop - DESY Entwicklung
Gernot Maier | Gigantische Explosionen | Mai 2011 |
CTA - Cherenkov Telescope Array
Gernot Maier | Gigantische Explosionen | Mai 2011 |
CTA - Cherenkov Telescope Array
Was ist der Ursprung der kosmischen Strahlung?
Wie funktionieren die kosmischen Teilchenbeschleuniger?
Physik unter extremen Bedingungen
(Energien, Elektromagnetische Felder, Gravitationsfelder, ...)
Gernot Maier | Gigantische Explosionen | Mai 2011 |