Seminarvortrag Seminarvortrag - Ausbreitung Kosmischer Strahlung "Zwei Dinge sind unendlich: Das...

Seminarvortrag-

AusbreitungKosmischer Strahlung

"Zwei Dinge sind unendlich: Das Universum und die menschliche Dummheit. Aber beim Universum bin ich mir

noch nicht ganz sicher." - Albert Einstein

Hauptseminarvortrag zur Ausbreitung der kosmischen Strahlung

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Inhalt:

- Rückblick / Allgemeines zur kosmischen Strahlung- Magnetische Felder- Beschreibung der Ausbreitung

- Modell der Galaxis- Transportgleichung- Leaky-Box-Modell

- Spallation- Cosmic Ray Clocks- Fazit

Timo Münzing

Rekapitulation 1

Rekapitulation 2


3

Energiespektrum und Quellen

- kleiner 1GeV schwer zu untersuchen

-1GeV bis etwa 5GeV durch galaktische Supernovas

Timo Münzing

- Höhere Energien wahrscheinlich durch extragalaktische Quellen

Der Krebsnebel,Überrest einer Supernova,Aufgenommen vomHubble-Space-Telescope


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Ausbreitung der Strahlung

Was beeinflusst die Strahlung auf ihrem Weg zur Erde?

- Magnetfelder

- Energiegewinne/-verluste (Beschleunigung/Spallation)

- Kollisionen

- radioaktiver Zerfall

Timo Münzing


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Ausbreitung der Strahlung

Was beeinflusst die Strahlung auf ihrem Weg zur Erde?

- Magnetfelder

- Energiegewinne/-verluste (Beschleunigung/Spallation)

- Kollisionen

- radioaktiver Zerfall

Timo Münzing


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Magnetfelder und ihre Auswirkungen

- Strahlung kommt isotrop auf der Erde an

- galaktische, ungeordnete Magnetfelder

- etwa 2,5μG im Universum

- bei uns ~3μG, parallel zur galaktischen Scheibe

Timo Münzing

Magnetfeld am Beispielder „Whirpool-Galaxie“(oben links: Quasar OC-65)


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Beispielrechnung Magnetfelder

Timo Münzing


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Beispielrechnung Magnetfelder

- Zentrifugalkraft

- Lorentzkraft

- Gleichsetzen:

Beispielergebnisse für einProton:

Timo Münzing

- E = 3GeV r ≈ 3∙1012 m ≈ 20 AE

- E = 6GeV r ≈ 3∙1015 m ≈ 250 [Größe Sonnensystem]- E = 9GeV r ≈ 3∙1018 m ≈ 317 ly


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Schlussfolgerungen

- Isotropie - kleiner als 5GeV aus unserer Galaxis

Timo Münzing


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Warum nur galaktische Supernovas?

- Diffuse Ausbreitung: r ~ t2

- durch die Lebensdauer der Teilchen kommen nur galaktische Supernovas in Frage

Timo Münzing

Große Magellansche WolkeIllustration der Milchstraße


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Rekapitulation

- Beeinflussung der Strahlung durch:

Timo Münzing

- Magnetfelder

- Energiegewinne/-verluste- Kollisionen- radioaktiver Zerfall

- Beeinflussung durch Magnetfeld bis etwa 106GeV besonders von Bedeutung (Isotropie)

- Isotropie durch:

- galaktische Supernovas wegen r ~ t2

FZ = FL


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Beschreibung

für die Ausbreitung der

kosmischen Strahlung

Timo Münzing


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Vorstellung unserer Galaxis

- Dichte größtenteils in der galaktischen Scheibe zentriert

- Radius ~ 15kpc

- Höhe ~300pc

- Radius des Halo ~ 2-4kpc

Timo Münzing


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Transportgleichung

- Aufstellen einer allgemeinen Gleichung

- Differentialgleichung mit N(E,x,t)

Was beinhaltet eine solche Gleichung?

Timo Münzing


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Transportgleichung

Timo Münzing


16

Transportgleichung

- Diffusionsterm

Timo Münzing


17

Transportgleichung

- Diffusionsterm

- Energiegewinne/-verluste (Beschleunigung/Ionisation)

Timo Münzing


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Transportgleichung

- Diffusionsterm


- Konvektion

Timo Münzing


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Transportgleichung

- Diffusionsterm


- Konvektion

- Quellterm

Timo Münzing


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Transportgleichung

- Diffusionsterm


- Konvektion

- Quellterm

- Verlust durch Kollisionen und Zerfall

Timo Münzing


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Transportgleichung

- Diffusionsterm


- Konvektion

- Quellterm


- Spallation

Timo Münzing


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Transportgleichung

- Diffusionsterm


- Konvektion

- Quellterm


- Spallation

Komplizierte, gekoppelte DGL

Suche nach einfachen Modellen

Timo Münzing


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Vereinfachende Modelle

- Leaky-Box-Modell

- Nested Leaky-Box-Modell

kleine abgeschlossene Volumen um Quellen(beispielsweise Supernovas in dichten Wolken)

- Closed Galaxy-Modell

Spezialfall des Nested Leaky-Box-Modell / LokalerSpiralarm der Galaxie ist eingeschlossenes Volumen

- Diffusionsmodelle

Diffusionsterm keine Konstante schwer zu lösen

Konstante Dichte / abgeschlossenes Volumen

Timo Münzing


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Vereinfachende Modelle

- Leaky-Box-Modell

- Nested Leaky-Box-Modell

kleine abgeschlossene Volumen um Quellen(beispielsweise Supernovas in dichten Wolken)

- Closed Galaxy-Modell

Spezialfall des Nested Leaky-Box-Modell / LokalerSpiralarm der Galaxie ist eingeschlossenes Volumen

- Diffusionsmodelle

Diffusionsterm keine Konstante schwer zu lösen

Konstante Dichte / abgeschlossenes Volumen

Timo Münzing


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Leaky-box-Modell

- Konstante Dichte im betrachteten Volumen

- Teilchen werden am Rand reflektiert

- konstante (energieabhängige) Entweichswahrscheinlichkeit

Timo Münzing


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Leaky-box-Modell

Timo Münzing


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Leaky-box-Modell

Timo Münzing

1.


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Leaky-box-Modell

Timo Münzing

1.

2. Vernachlässigung von Energiegwinnen/-verlusten


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Leaky-box-Modell

Timo Münzing

1.


3. Vernachlässigung von Konvektion


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Leaky-box-Modell

Timo Münzing

1.



4. Konstante Dichte


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Leaky-box-Modell

Timo Münzing

1.



4. Konstante Dichte


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Rekapitulation

Timo Münzing

- Welcher Term steht wofür?


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Rekapitulation

Timo Münzing


- Diffusionsterm


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Rekapitulation

Timo Münzing


- Diffusionsterm

- Energiegewinne/-verluste


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Rekapitulation

Timo Münzing


- Diffusionsterm


- Konvektion


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Rekapitulation

Timo Münzing


- Diffusionsterm


- Konvektion

- Quellterm


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Rekapitulation

Timo Münzing


- Diffusionsterm


- Konvektion

- Quellterm

- Kollisionen und Zerfall


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Rekapitulation

Timo Münzing


- Diffusionsterm


- Konvektion

- Quellterm


- Spallation


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Rekapitulation

Timo Münzing


- Diffusionsterm


- Konvektion

- Quellterm


- Spallation

- Leaky Box Modell:


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Rekapitulation

Timo Münzing


- Diffusionsterm


- Konvektion

- Quellterm


- Spallation

- Leaky Box Modell:


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Spallation

Timo Münzing

- „Zertrümmern“ von Primärteilchen führt zu Sekundärteilchen


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Spallation

Timo Münzing

- „Zertrümmern“ von Primärtermen führt zu Sekundärteilchen


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Spallation

Timo Münzing



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Spallation

Timo Münzing


- wieso sind B, Be und Li so häufig?

entstehen besonders oft bei der Spallation.


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Cosmic Ray Clocks

Timo Münzing

- Man kennt Zerfallszeit bestimmter Atome

- Man kennt Ursprungsmenge also auch Menge der Kerne, die noch messbar sein sollten

Aus der Abweichung kann die Verbleibzeitin der Galaxie berechnet werden

- wichtigstes Isotop: 10Be

- Halbwertszeit: τ0 = 3,9*10 j 6

gemessen wird γ*τ0 (relativistisch)

- Zerfall in B 10


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Cosmic Ray Clocks

Timo Münzing

- Beschreibung mit einer Gleichung


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Cosmic Ray Clocks

Timo Münzing


- Vernachlässigung von Energiegewinnen/-verlusten, Konvektion

und Stößen


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Cosmic Ray Clocks

Timo Münzing



und Stößen


49

Cosmic Ray Clocks

Timo Münzing



und Stößen

- Verluste durch Spallation:


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Cosmic Ray Clocks

Timo Münzing



und Stößen



51

Cosmic Ray Clocks

Timo Münzing



und Stößen



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Cosmic Ray Clocks

Timo Münzing

- leichte Elemente entstehen hauptsächlich durch Spallation

Quellterm kann als Rate Ci geschrieben werden

- Mit dem Leaky-Box-Model folgt:


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Cosmic Ray Clocks

Timo Münzing

- Ist das Element radioaktiv, so muss noch der Zerfallsterm

ergänzt werden ( ist die Halbwertszeit)

- Verhältnis zwischen stabilen und instabilen Teilchen aufstellbar


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Cosmic Ray Clocks

Timo Münzing

- Instabiles Teilchen (z.B. Be):

- Stabiles Teilchen (z.B. B):

- Verhältnis:

10

10

- Wir wissen:

durch Messung des Verhältnisses sind N und ti berechenbar!


55Timo Münzing

RUNJOB - Experiment

- Rate fällt mit zunehmender Energie

Hochenergetische Teilchen haben kürzere Verweilzeit


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Fazit

Timo Münzing

- Ablenkung in erster Linie durch Magnetfelder

- Höchstenergetische Strahlung wird allerdings kaum abgelenkt

- Transportgleichung

- Leaky Box Model

Niederenergetische Strahlung aus galaktischen Quellen

Extragalaktische Quellen

- Cosmic Ray Clocks


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Quellen

Timo Münzing

- High Energy Astrophysics: Volume 1, Malcom S. Longair

- High Energy Astrophysics: Volume 2, Malcom S. Longair

- Cosmic rays and particles, Thomas K. Gaisser

- Teilchenastrophysik, H.V. Klapdor-Kleingrothaus/K.Zuber

- http://www.spacetelescope.org/index.html

- http://gallery.spitzer.caltech.edu

- 29th International Cosmic Ray Conference Pune (2005) 00, 101-104

Danke für eure Aufmerksamkeit!

„Es gibt eine Theorie, die besagt, dass wenn jemals irgendwer genau herausfindet, wozu das Universum da ist und warum es

da ist, dann verschwindet es auf der Stelle und wird durch etwas noch Bizarreres und Unbegreiflicheres ersetzt.“

„Es gibt eine andere Theorie, nach der das schonlängst passiert ist.“

- Douglas Adams, Per Anhalter durch die Galaxie

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