Post on 05-Apr-2015
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Astroteilchenphysik
Kosmische Strahlung auf der Erde Geladene Komponente (Kosmische Strahlung) Photonen (>keV) Neutrinos
Kosmische Strahlung in unserer Galaxie 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) Proton-Proton (Kern) WW Ionisation Anregung von Gasatomen Fragmentation von schweren Kernen CoulombWW mit ionisiertem Gas Absorption von ionisierenden Photonen Photonenemission (s.u.)
Staub (indirekt) Rötung von Sternenlicht „Verdeckt“ Sterne im optischen Photonenemission (s.u.)
Photonenfelder (direkt) Photon-Proton (Kern) WW Photon-Photon Paarerzeugung Sternen (optischen und nah Infraroten ~0.1-1m) Staub (nah und fernes Infrarot (~1-100m) Gas (Linien und kont. Emission UV bis Infrarot) Synchrotronemission von rel. Elektronen (Radiobereich)
Magnetfelder (direkt) 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/(20) (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 Staub wird von
Sternenlicht erhitzt Temperatur T
Streuung 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 m, 2.27V = 548 nm (visuell) 0.548 m, 1.82
~ Av = 3.1 E(B-V) (im Visuellen)Milchstrasse E(B-V)~0.05
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Staubkörner
1 pro 100m3
Entstehung als „Asche“ in Supernova Ausbrüchen
Durchmesser D~ D gleiche Größenordnung wie
absorbiertes und gestreutes Licht (~100 nm)
Für D~0.6m 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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Polyzyklische- Aromatische- Kohlenwasserstoffe
• bestehen aus Benzolringen • insgesamt 10-100 Kohlenstoffatome (blau) • Breite, diffuse Linienemission
PAHs (deutsch: PAKs)
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Emission in unserer Galaxy
~400K(!)(PAH)
~70K (warmer Staub)
~20K (kalter Staub)
Temperatur
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Interstellares Gas
Moleküle Linienemission (H2, CO,…)
Neutrales Gas (HI Regionen) UV Absorptionslinien 21cm Linie
Ionisiertes Gas (HII Regionen) H Linienemission (leuchtende Gasnebel)
Heißes koronales Gas
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Molekülwolken
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
Molekülwolke, bestehend aus dichtem Gas und Staub. Abgebrochen vom Carina Nebel.Ausdehnung ca 2 Lichtjahre.
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Riesen-Molekülwolken
Riesen-Molekülwolken (104 -106 Ms)
Ausdehung bis zu 1-200 pc (3-600 Lj)
Dichte Kerne der Wolken sind Orte der Sternentstehung
Temperaturen 10K -30K (kühl)
Bernard 68
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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) 0 = 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
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Beobachtungen von HI in der Milchstrasse
Longair 17.3(b)
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Verteilung in der Milchstrasse
Longair Abb.17.2
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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 < 91.1mm (13.6 eV)
Photoelektron re-kombiniert mit Ion
Kaskade entsteht Jedes Lyman-
Photon erzeugt so ein H- 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: [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 ne~108m-3 und Te~104K RHII~3pc ne~106m-3 65pc
3/23/13/1
3
4
3
3
4
eUVHII
ioneHIIUV
nNR
nnRN
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Warmes Zwischen-Wolken Medium (WIM)
H, H+, e- 10%-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
Longair Table 17.1
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Zwischen den Sternen
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Interstellares Medium + Sternentsstehung
Longair