Entstehung der kosmischen Strahlung

Entstehung der kosmischen Strahlung
Galaktische und intergalaktische Kosmische Strahlung
Im Folgenden soll nur die Komponente der kosmischen Strahlung betrachtet werden,
die nicht solaren Ursprungs ist.
Galaktische Kosmische Strahlung
Ursprung innerhalb unseres Milchstraßensystems
Die Strahlung ist isotrop: Streuprozesse / Quelleninformation ist verloren gegangen
Spektrale Energieverteilung: 109 − 1016 eV
Mögliche Quellen:
• Supernovae und Supernova-Überreste
• Pulsare und Schwarze Löcher
• Kataklysmische Doppelsternsysteme
Problem: Beschleunigungsmechanismen geladener und neutraler Teilchen
Verteilung der Quellen hochenergetischer Gammastrahlung E> 100 MeV
Ein Großteil der hochenergetischen Gammastrahlung stammt offenbar aus der
Milchstraße – Einzelquellen sind z.T. auszumachen (Beispiel Vela-Pulsar)
 Röntgen-Doppelsterne / Pulsare / Schwarze Löcher
 Gammabursts bei Supernovaexplosionen (Nukleosynthese-bedingt Ni -> Co -> Fe)
Kataklysmische Doppelsternsysteme
Derartige Doppelsterne bestehen i.d.R. aus einem meist massearmen Hauptreihenstern
und einem kompakten Objekt (Weißer Zwerg, Neutronenstern, Black hole).
Durch den Materieabfluß zum kompakten Objekt bildet sich eine Akkretionsscheibe
aus (jedoch nicht immer – „Polare“), von der aus das Material zum kompakten
Objekt überfließt. Dabei entstehen hohe Temperaturen durch Reibung sowie
Materie-Jets (starke Magnetfelder erforderlich)
 thermische Röntgenstrahlung („Röntgendoppelsterne“)
 nichtthermische Synchrotronstrahlung (E bis zu 1016 eV)
Wichtige Begriffe
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Lorentz-Kraft
Larmor-Radius
Pitch-Winkel
AM Herculis – Sterne oder „Polare“
Supernovae
Supernovaausbrüche sowie Supernova-Überreste gelten als wichtigste Quelle der
galaktischen kosmischen Strahlung.
Typ II : Hydrodynamische SN
 Kernkollaps
Typ Ia : Thermonukleare SN
 Kernkollaps nach Masseaufnahme
von einem engen Begleiter
Kosmische Strahlung:
• Kurzzeitiger, extrem energiereicher Neutrino-Flash (konnte anhand der Supernova von
1987 nachgewiesen werden)
• Entstehung von Gammastrahlung bei der während des Ausbruchs stattfindenden rProzeß Reaktionen (z.B. Ni -> Co -> Fe )
Supernova-Überrest (SNR)
Solche SNR’s bestehen viele Tausende bis Hunderttausend Jahre und erreichen
Ausdehnungen von einigen Hundert Parsec bis sie schließlich vollständig in der
interstellaren Materie aufgehen. Dabei lassen sich mehrere Entwicklungsphasen
unterscheiden:
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Freie Expansion (200 bis 300 Jahre)
Adiabatische oder Taylor-Sedov-Phase (~20000 Jahre)
Radiative oder „Schneepflug-Phase“ (bis 500000 Jahre)
Verschmelzung mit der interstellaren Materie
 Schockfronten und magnetische Wolken sind die Ursache für die Beschleunigung
geladener Teilchen auf relativistische Geschwindigkeiten (Fermi-Beschleunigung)
Energien bis 1016 eV
möglich
MECHANISMEN
Teilchen kollidieren mit
ionisiertem Wasserstoff,
was im Mittel zu einem
Energiegewinn führt, da
der Stoß häufiger frontal
als „verfolgend“ erfolgt.
(Fermi-Beschleunigung I)
Geladene Teilchen
werden in Schockfronten gefangen und
wiederholt beschleunigt
(Fermi-Beschleunigung II)
Magnetic pumping
(Alvén – Beschleunigung)
Neutronensterne / Pulsare
„Leuchtturmeffekt“  Pulsar
Extragalaktische Kosmische Strahlung
Alle Teilchen und Quanten, deren Energie 1016 eV übersteigt, stammen aus dem
extragalaktischen Bereich.
Quellen:
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Aktive galaktische Kerne (Supermassive Schwarze Löcher)
Gamma Ray Bursts (Verschmelzung von Neutronensterne)
Urknall-Relikte ??
Sonstige Exoten ...
Aktive Galaktische Kerne (AGN) -> Akkretion um massives Zentral-Black hole
Jets bis zu einigen Hunderttausend bis Millionen Lichtjahre lang
Leuchtkraft bis zu 1012 Sonnenleuchtkräfte (4 ∙ 1026 𝑊)
Teilchenenergien im Jet bis zu 1020 eV

Quasare
Gamma Ray Bursts
1 GRB pro Tag
Stärkster GRB: März 2008
7.8 Mrd. Lichtjahre entfernt
2.8 Millionen mal heller als
eine Supernova
War mit bloßem Auge zu sehen
 bis zu 1015 Sonnenleuchtkräfte