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

• 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 r-Prozeß 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: • 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 Schock- fronten 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: • 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