Astroteilchenphysik

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
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Kosmische Strahlung in
unserer Galaxie
Das Interstellare Medium
Sternentstehung und -entwicklung
Wechselwirkung von KS
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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
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Beobachtbarkeit von
elektromagnetischer Strahlung
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Wechselwirkung in unserer
Galaxie
Gas (direkt und indirekt)
Staub (indirekt)
Photon-Proton (Kern) WW
Photon-Photon Paarerzeugung
Sternen (optischen und nah Infraroten ~0.1-1µm)
Staub (nah und fernes Infrarot (~1-100µm)
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 !
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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/(2µ0) (mit
B = 2x10-10T) 0.1 eV cm-3
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Milchstrasse
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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
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Spirale – aber wie ?
Orionarm
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Dichte – Wellen – Theorie
• Sterne zirkulieren auf elliptischen Orbits
• Hauptachsen sind parallel Balken (im Innern von Galaxien)
• Hauptachsen sind Funktion von R Spiralstruktur
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Simulation zur Spiralstruktur
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Galaktische Koordinaten
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Zwischen den Sternen
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Teil der Galaktischen Ebene
beobachtet mit H.E.S.S.
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Interstellare Materie (ISM)
Gas 99%
Wasserstoff 90%
Helium 10%
Metalle
Staub 1%
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Interstellarer Staub
Dunkelwolken - Dunkelnebel
Interstellare Extinktion und Rötung
Polarisation von Sternenlicht
Eigenschaften der Staubkörner
Größe
Temperatur
Eigenstrahlung
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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
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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
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Extinktion – E(B-V)
Farbexess: E(X-Y) = (X-Y)-(X-Y)0
B = 440 nm (blau) 0.44 µm, 2.27
V = 548 nm (visuell) 0.548 µm, 1.82
τλ ~ Av = 3.1 E(B-V) (im Visuellen)
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Milchstrasse E(B-V)~0.05
Staubkörner
1 pro 100m3
Entstehung als „Asche“ in
Supernova Ausbrüchen
Durchmesser D~λ
D gleiche Größenordnung wie
absorbiertes und gestreutes Licht
(~100 nm)
Für D~0.6µm 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
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PAHs (deutsch: PAKs)
Polyzyklische- AromatischeKohlenwasserstoffe
• bestehen aus Benzolringen
• insgesamt 10-100
Kohlenstoffatome (blau)
• Breite, diffuse Linienemission
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Emission in unserer Galaxy
Temperatur
~400K(!) ~70K
~20K
(PAH)
(warmer Staub) (kalter Staub)
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Interstellares Gas
Moleküle
Neutrales Gas (HI Regionen)
UV Absorptionslinien
21cm Linie
Ionisiertes Gas (HII Regionen)
Linienemission (H2, CO,…)
Hα Linienemission (leuchtende Gasnebel)
Heißes koronales Gas
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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
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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)
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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) λ0
= 2.60 mm oder 115.27 GHz
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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
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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
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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
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Beobachtungen von HII
Wolken in der Milchstrasse
Wasserstoffatom wird
ionisiert durch Photon
mit λ < 91.1mm (13.6
eV)
Photoelektron rekombiniert mit Ion
Kaskade entsteht
Jedes Lyman-α
Photon erzeugt so ein
H-α Photon (n=3 nach
n=2) mit 656.28 nm
(Rot)
Longair Abb.17.3(a)
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Strömgrensphäre
Ausdehung einer HII Region mit Radius
R
Gleichgewichtszustand
Nuv Anzahl der vom Stern emittierten UV
Photonen
Rekombinationskoeffizient:
α [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
4π 3
=
R HII αne nion
3
RHII
 3 
1/ 3 − 2 / 3
=
N
ne

UV
 4πα 
1/ 3
ne~108m-3 und Te~104K RHII~3pc
ne~106m-3 65pc
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Warmes Zwischen-Wolken
Medium (WIM)
H, H+, e10%-20% ionisiert
21 cm Linie,
Absorption, Ha
Emission
40% des Volumens
mit 20%
Massenanteil
8000 K
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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
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Interstellares Gas - Überblick
37
Longair Table 17.1
Zwischen den Sternen
38
Interstellares Medium +
Sternentsstehung
Longair
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