1

Kosmische Strahlung auf der Erde

Spektrum Zusammensetzung direkte Beobachtungsmethoden indirekte Beobachtungemethoden Magnetfelder (HE) Photon- und Neutrinodetektion

2

Luftschauer Experimente

3

KASKCADE („Knie“)

• 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

KArlsruhe Shower Core and Array DEtector-Grande

4

KASCADE Grande

5

AUGER (1020eV)

1600 autarken, solarbetriebenden Oberflächendetektoren (SD) mit 1500 m Abstand

4x6 Floureszenz Detektoren (FD)

3000 km2 Detektorfeld 1450 m üNN Argentinien (Pampa)

6

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

7

Elemente Zusammensetzung

8

Elemente Zusammensetzung

Kerne mit höherem Z haben bei gleicher Energy kleineren Gyroradius=> KS bei hohen Energien besteht aus schwereren Kernen

9

Photonen und Neutrinos

Photonenlimits bei Energien 10, 20 und 40 EeV

10

Magnetfelder im Universum

Erdmagnetfeld Magnetfeld der Sonne Interplanetares Magnetfeld Galaktisches Magnetfeld Extragalaktische Magnetfelder

Galaxienhaufen Galaxien-Superhaufen Voids ?

Astronomische Objekte (Effizienz der Teilchenbeschleunigung)

11

Erdmagnetfeld

Dipolfeld ähnlich wie Stabmagnet

Dipolachse und Erdachse leicht verschoben

Pole wandern ca. 30 km pro Jahr

Ursprung in rotierendem Eisenkern

Äquator: 30T oder 0.3 Gauß

Mitteleuropa: 48 T oder 0.48 Gauß

12

Erdmagnetfeld - Sonnenwind

Erdmagnetfeld reflektiert Sonnenwind

Schockfront: Sonnenwind wird vom Erdmagnetfeld reflektiert

Zwischen Schockfront und Erde liegt die Magnetosphäre

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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)

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Geladene Teilchen im Magnetfeld

Gyroradius m] Ladung ze Magnetfeld B [T] Impuls P 300 MeV: 1 m (1T) 1020eV: 30kpc

(3x10-10 T) Magnetische

Steifigkeit R [V]

Bz

p

zeB

pc

3.0

Bze

pcR

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Kosmische Strahlung (<104GeV) Abschwächung bei

E < 1GeV (103MeV) Effekt variiert mit

Sonnenzyklus: Solare Modulation (~11Jahre)

Steifigkeit (Rigidity) R = pc/ze = (A/z) (mpvc/e) p = Ampv rel. Dreierimpuls z Ladung A Massenzahl

(A/z) ~ 2 Variiert mit Beobachtungsort

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Erdmagnetfeld als Dipol

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4 r

pB m

Ideales Dipolfeld Dipolmoment pm und

= 10-7 TmA-1

Achsen um ca. 11.5° verdreht

Stormer Radius rs

„Kreisbahnen um Dipolachse in Äquatorebene“

222101.8 Ampm

R

pzepr mms

4400

17

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

GVr

cp

ze

pcR

E

mS 6.56

4 20*

18

Allgemeine Formel

23

4

2

2*

)sincos11(

cos),,.(

r

rRrR Ess

Zenithwinkel (Nadir =180°) magnetische Breitengrad Azimutwinkel

=0° Bewegung nach magnetisch Süden =90° Bewegung nach magnetisch Westen =270° Bewegung nach magnetisch Osten

)90,90,0,(* EsS rRR

19

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

GVRrR sEs 2.10)21(

1)270,90,0,(

2

*

20

„Rigidity Cut-off“

21

Magnetfeld der Sonne

Ruhige Sonne: Dipolfeld Kehrt sich alle 22 Jahre um

(11 Jahre Zyklus) 100 T 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

22

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

23

Galaktische(s) Magnetfeld(er) ~3x10-10T = 3G 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

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Beobachtung von galaktischen Magnetfeldern

Methode Anzeigendes Medium

Aussage 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

Unsöld-Baschek „Der neue Kosmos“

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Polarisation des Sternenlichts

Staub absorbiert Sternenlicht

Reemission als polarisierte Wärmestrahlung

Staubteilchen in der Galaxie werden durch Magnetfeld ausgerichtet

26

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 E Für B=0.1T (1kG) und 0=500nm => Verschiebung um 1pm =10-3nm

(Sonnenfleck)

ejLSJ m

eBMgE

2

27

Synchrotronstrahlung

2/)1(2/)1()( ssrBn

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

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Synchrotronbeobachtungen

Gesamte Radiostrahlung (Konturlinien)

polarisierte Radiostrahlung (Striche)

Galaxie M 51 gemessen mit den

Radioteleskopen Effelsberg und VLA bei 3.6-cm-Wellenlänge.

Das optische Bild im Hintergrund vom Hubble Space Telescope der NASA/ESA

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Faraday-Drehung

Drehung der Polarisationsebene

Drehwinkel [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

dlBnRML

pe0

3101.8

30

Extragalaktische Magnetfelder

Astronomische Objekte (Aktive Galaxienkerne aller Typen)

Galaxienhaufen Galaxien-Superhaufen Voids ?

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Magnetfelder im Universum