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Olber´sche Paradoxon Wenn das Universum seit jeher
eine unendliche Zahl an gleichmäßig verteilten Sternen besitzt, dann gilt: Die Gesamthelligkeit eines Sterns
ist unabhängig von der Entfernung des Beobachters (d.h. Licht streut erlischt aber nicht)
Ist das Universum unendlich groß, ist auf jeder möglichen Sichtlinie irgendwann ein Licht ausstrahlender Himmelskörper, sofern er nicht punktförmig ist (siehe Bäume im Wald).
Daraus folgt: Jeder Punkt am Himmel sollte dieselbe Helligkeit wie die Oberfläche eines Sternes besitzen.
Lösung
Endliche Zahl von Sternen mit endlicher Lebensdauer (107 Jahre)
Endliches Alter des Universums (Licht braucht länger von weitentfernten Quellen)
Rotverschiebung (Licht ist nicht mehr sichtbar)
Effekt der Rotverschiebung
X0 = beobachtete Größe
X=X(t) Größe zur kosmologischen Zeit t
30
0
10
0
0
)1(
)1()1(
)1(
zVV
zrrzEE
z
z
Kosmische Strahlung (KS) auf der Erde
Spektrum und Zusammensetzung der geladenen Komponente Magnetfelder Luftschauer Nachweismethoden
Ionisierende Strahlung (1910)
Radioaktive Strahlung –Strahlung He-
Kerne - Strahlung e-
– Strahlung Photonen Theodor Wulf
verbessert Messgerät (Wochen auf Tage)
Theorie: Ionisierenden Strahlung in der Luft entsteht durch radioaktive Elemente in der Erde
Wulf und der Eiffelturm (1910) T. Wulf erklimmt Eiffelturm Absorptionskoeffizient
von -Strahlung in Luft Halbwertsdicke: d1/2 = 120 m (Luft)
1) Falscher Absorptionskoeffizient
2) Radioaktivität der Instrumente
3) Radioaktive Elemente in der Luft
330m
6x106 Ionen m-3
3.5x106 Ionen m-3
Hess und sein Ballon (1912)
7 Ballonflüge (bis 5km Höhe) Ionisierungsrate nimmt mit der
Höhe zu 1936 Nobelpreis für Physik
Protokoll Viktor Hess, 7. August 1912
Beob.Nr.
Zeit
Mittlere Höhe Beobachtete Strahlung [ J ]
Temper-
atur[ ° C ]
Relative
Feuchtig-
keit[ % ]
Anmerk-ungenabsolut
[ m ]
relativ
[ m ]
App. I
qI [ J ]
App. II
qII [ J ]
App. III
qIII[ J ]
qIIIred[ J ]
1 15:15-16:15
156 0
17.3 12.9 - - - -
Zwei Tage vor dem Aufstieg am Klubplatz in Wien2 16:15-
17:15 15.9 11.9 18.4 18.4 - -
3 17:15-18:15 15.8 11.2 17.5 17.5 - -
4 06:45-07:45 1700 1400 15.8 14.4 21.1 25.3 + 6.4 60
5 07:45-08:45 2750 2500 17.3 13.3 22.5 31.2 +1.4 41
6 08:45-09:45 3850 3600 19.8 16.5 21.8 35.2 - 6.8 64
7 09:45-10:45
4400-5350
(4800)4700 40.7 31.8 - - - 9.8 40
8 10:45-11:15 4400 4200 28.1 22.7 - - - -
9 11:15-11:45 1300 1200 (9.7) (11.5
) - - - -
10 11:45-12:10 250 150 11.9 10.7 - - + 16.0 68
11 12:25-13:12 140 0 15.0 11.6 - - +18.0 76
1929 Geiger-Müller Zählrohr
1929 Photon oder Teilchen
„Hess ultra -radiation“ 1925 Milikan:
„Kosmische Strahlung“ 1929 Geiger-Müller
Zählrohr ermöglicht Detektion von einzelnen Ereignissen
Bothe und Kolhörster 1929 messen koinzidente Ereignisse mit Genauigkeit von 0.01s
Experimentaler Aufbau der Koinzidenz Messung Bothe und Kolhörster, Zeitschrift für Physik, 56, 751 (1929)
1938 Ausgedehnte Schauer
1938 Teilchendetektoren, die mehrere Meter auseinander stehen, detektieren zum gleichen Zeitpunkt Teilchen
Beobachtete Teilchen stammen aus ausgedehnten Teilchenschauern, die durch die Wechselwirkung kosmischer Strahlung mit der Atmosphäre entstehen
Primäres Teilchen sollte etwa 1015 eV besessen haben
Pierre Auger
1949 Beschleuniger E. Fermi stellt Theorie zur
Beschleunigung von Teilchen auf Geladene Protonen werden dabei in
„magnetischen Spiegeln“ reflektiert und erhalten so statistisch Energie
„Spiegel“ seien Unregelmäßigkeiten in Magnetfeldern der Galaxie, zB interstellare Gaswolken
Heute: Klein-skalige
Magnetfeldunregelmäßigkeiten in Supernovaüberresten
Beschleunigung in Supernova Explosionen
Pulsaren Relativistische Jets in aktiven
Galaxienkernen (AGN) Galaxienhaufen
Krebsnebel
AGN
1966 „GZK cut-off“ 1965 Entdeckung der kosmischen
Mikrowellenhintergrund-Strahlung (CMB)
Wechselwirkung von hochenergetischen Protonen mit Photonen
pp0 p n
Optische Tiefe:d= n() dl
E ~ 3x1019eV: Entfernung l < 100 Mpc E ~ 2x1020 eV : Entfernung l < 20 Mpc
Kenneth Greisen, Georgi Zatsepin und Vadem Kuzmin (“GZK cut-off”)
1992-2008 „AUGER“
AUGER Projekt: Jim Cronin und Alan Watson
1600 Wassertanks mit jeweils 12.000 l
Tanks stehen 1.5 km auseinander
Gesamte Fläche entspricht 10.000km2
Einweihung im November 2008
Offene Fragen:
Was sind die Quellen der kosmischen Strahlung ?
Wie werden Teilchen zu solch hohen Energien beschleunigt ?
Wie breitet sich kosmische Strahlung im interstellaren Medium bis zur Erde aus ?
Werden die Eigenschaften der Strahlung dabei verändert ?
Was sind die höchsten Energien der kosmischen Strahlung ?
Primäre kosmische Strahlung
Kosmische Strahlung, ihren Ursprung in einiger Entfernung der Erdoberfläche jenseits der Atmosphäre hat
Je nach Ursprung teilt man sie in Solare KS Galaktische KS Extragalaktische KS
Differentielles Energiespektrum
Teilchen pro Energieintervall, Fläche, Zeit und Raumwinkelintervall
dEEKdEENdtdEdAd
dNEN
)(
)(
Differentielles Energiespektrum
dEEEKdEEN 5.2)(
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
Spektrum verschiedener Elemente
Spektal index 2.5-2.7 E>103GeV totale
Energie Primäre Elemente
werden in den Quellen kosmischer Strahlung (zB. SN) produziert (Fe, C)
Sekundäre Elemente entstehen durch Spallation mit dem interstellaren Gas (Ti, V, K, B).
Anomale 4He Komponente Anstieg bei E<60MeV Ursache noch nicht geklärt Wird schwächer mit zunehmender Nähe
zur Sonne Keine einfache Korrelation mit Modellen
zur Sonnenmodulationen
Anomale 4He Komponente
Teilchen werde möglicherweise in den äußeren Regionen der Heliosphäre beschleunigt.
Elektronen und Positronen
Positronen 10% Elektronenfluß Sekundärteilchen
Primäre Elektronen schwierig zu beobachten
Große Anzahl an sekundär Elektronen in der Atmosphäre durch Teilchenschauer
E3N(E)dE mit N(E)dE ~ E-3.4dE m-2 s-1sr-1
E<1GeV Abschwächung durch solare Modulation (E<10GeV)
Verluste durch Synchrotronstrahlung
Casadei & Bindi (20049
Synchrotronverluste
Diffusionslänge: r ~1 kpc (E/1TeV) -1
Strahlungsverlustzeit: trad~2.1x105 (E/1TeV) -1 yr
Radioemission gibt Aufschluss über Magnetfelder
20
20
22
38
34
cmE
r
UcdtdE
T
BT
Elektron
Photon
Magnetfeld
M51, 11kpc, Whirlpool galaxy
Elemente-Häufigkeit
1. Maxima bei C, N, O, Fe
2. „Gerade-ungerade“ Effekt
3. Li, Be, B viel zahlreicher in den CR (Exzess)
4. Elemente < Fe zahlreicher (Exzess)
5. H, He, weniger vorhanden Vergleiche Anzahl Elemente
in der kosmische Strahlung und im Sonnensystem
Elemente-Häufigkeiten im Sonnensystem
Elemente-Häufigkeit in der Milchstrasse
Population I Metallreiche Sterne,
Sonne, Scheibe, Zs=0.02 Population II Metallarme Sterne, Halo,
Z=10-4 Zs
Population III „Allerersten Sterne“ mit
primordialer Zusammensetzung