8.2.Quellen Kosmischer Strahlung.

Teilchen-Astrophysik

Quellen kosmischer Strahlung

Daniel Ostermeier 8. Dezember 2008

Keplers SNR

Quelle:www.hubblesite.org

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung 3

1.1 Frühe Deutungsversuche . . . 3

1.2 Grundlegende Fragen . . . 3

1.3 Einteilung der kosmischen Strahlung . . . 4

2 Solare kosmische Strahlung 4 2.1 Sonnenwind . . . 4

2.1.1 Entdeckung des Sonnenwinds . . . 4

2.1.2 Zusammensetzung . . . 4

2.1.3 Entstehung . . . 4

2.2 Sonneneruptionen, Rekonnexion . . . 6

2.3 Anomale kosmische Strahlung . . . 8

3 Galaktische kosmische Strahlung 9 3.1 Fermi-Mechanismus 2.Ordnung . . . 9

3.2 Galaktische Quellen und ihre Beschleunigungsmechanismen . . . 11

3.2.1 Supernova-Überreste (SNR) . . . 11

3.2.2 Pulsare . . . 15

3.2.3 Doppelsternsysteme . . . 16

4 Extragalaktische kosmische Strahlung 17 4.1 Jets . . . 17

4.2 Aktive Galaktische Kerne (AGN) . . . 18

4.3 Gamma-Ray Bursts . . . 18

5 Die Suche nach den Quellen 20 5.1 Propagation der KS . . . 20

5.1.1 Die Rolle galaktischer Magnetfelder . . . 20

5.1.2 Wechselwirkung mit dem Interstellaren Medium . . . 21

5.1.3 Kosmische Uhren . . . 21

5.2 Gammastrahlenastronomie . . . 22

5.3 Neutrinoastronomie . . . 23

5.4 Jüngste Ergebnisse . . . 23

5.4.1 Der Himmel über HESS . . . 23

5.4.2 AUGER . . . 24

6 Zusammenfassung und Ausblick 24

7 Literatur 25

1 Einleitung

1.1 Frühe Deutungsversuche

Um die Wende zum 20. Jahrhundert waren viele Wissenschaftler nicht bereit die Umwälzungen in der Physik zu akzeptieren (vor allem Folgerungen aus Relativitäts- theorie, Thermodynamik, Quantentheorie und Kosmologie). Die Vorstellung eines in Raum und Zeit unveränderlichen Universums war weit verbreitet (Vollständiges kosmologisches Prinzip), weswegen viele sowohl die Relativitätstheorie und die da- mit verbundene Galaxienflucht, als auch den Wärmetod des Universums ablehnten.

Die Entdeckung der Höhenstrahlung unbekannten Ursprungs ließ sich gut als "Be- weis"für eigene Theorien einsetzen:

• W. Nernst: Radioaktiver Zerfall von Urmaterie (superschwere Elemente) endet im Äther. Zur Erhaltung des Gleichgewichts entstehen Atome wieder aus dem Äther. Die Höhenstrahlung empfand Nernst als Bestätigung seiner Hypothe- sen.

• MacMillan und Millikan: Höhenstrahlung wird als Photonen diskreter Ener- gie emittiert, wenn Nukleosyntheseprozesse im interstellaren Raum ablaufen ("Geburtsschrei der Materie")

1.2 Grundlegende Fragen

Die Eigenschaften der kosmischen Strahlung (Elementzusammensetzung, Energie- spektrum, Energiedichte) lassen sich auf der Erde gut untersuchen. Klar ist, dass es aufgrund der hohen Energiespanne der kosmischen Strahlung (bis ≈ 10²⁰eV, LHC:10¹²eV) nicht nur einen Beschleunigungsmechanismus geben kann, sondern mehrere Quellen und Beschleunigungsmechanismen existieren müssen, welche nicht thermischer Natur sein können (maximal erreichbar:10³eV). Es muss vielmehr kol- lektive Prozesse geben, die es erlauben, die Energieemission einer Quelle effizient auf eine relativ geringe Anzahl von Teilchen zu übertragen.

Trotz beinahe 100 Jahren Forschung sind einige grundlegende Fragen noch nicht vollständig beantwortet:

• Was sind die kosmischen Quellen geladener Teilchen?

• Wie werden die Teilchen auf so hohe Energien beschleunigt?

• Wie groß ist die maximale Energie der kosmischen Strahlung?

• Wie breitet sie sich durch das Interstellare Medium (ISM) bis zur Erde aus?

• Wie sieht die Wechselwirkung mit dem ISM und Photonen aus?

• Werden ihre Eigenschaften dabei verändert?

1.3 Einteilung der kosmischen Strahlung

Die kosmische Strahlung wird nach ihrem wahrscheinlichsten Ursprung eingeteilt:

• solare kosmische Strahlung: Ursprung ist unsere Sonne (bis 10⁹eV)

• galaktische kosmische Strahlung: Quellen liegen in der Milchstraße (10¹⁰ − 10¹⁶eV)

• extragalaktische kosmische Strahlung: Quellen liegen in anderen Galaxien (bis 10²⁰eV)

2 Solare kosmische Strahlung

2.1 Sonnenwind

2.1.1 Entdeckung des Sonnenwinds

Schon 1859 beobachtete Richard Carrington einen Zusammenhang zwischen Son- nenflares und (dazu zeitlich versetzten) Magnetfeldstürmen auf der Erde, was zu dieser Zeit jedoch unerklärlich schien. Am Anfang des 20. Jahrhunderts versuchte der Norweger Kristian Birkeland, die Polarlichter mit einem Teilchenstrom von der Sonne zu erklären. Diese Theorie wurde jedoch von anderen Physikern genauso abge- lehnt wie die Idee der solaren Teilchenstrahlung, die der Deutsche Ludwig Biermann annahm, um die Ausrichtung der Kometenschweife (immer von der Sonne weg) zu erklären.

Den experimentellen Beweis der Existenz des Sonnenwinds lieferten erst die sowje- tische Raumsonde "Lunik 1"(1959) und die amerikanische Sonde "Mariner 2"(1962) 2.1.2 Zusammensetzung

Der Sonnenwind ist ein Hauptbestandteil der kosmischen Strahlung. Er stellt einen permanenten Strom geladener Teilchen (Plasma) von der Sonne dar und besteht hauptsächlich aus Protonen, Elektronen und α-Teilchen (es sind jedoch auch Spu- ren von schwereren Atomkernen und neutralen Atomen vorhanden).

Die Zusammensetzung des Sonnenwinds liefert Informationen über die Bestandteile des Urnebels, aus dem sich das Sonnensystem gebildet hat:

Der Sonnenwind stammt aus den äußeren Bezirken der Sonne. Im Inneren verändern Kernfusionsprozesse ständig die Elementzusammensetzung. Da sich das Innere der Sonne jedoch nicht mit dem Äußeren mischt, entspricht die Isotopenhäufigkeit dort immer noch der des Urnebels.

2.1.3 Entstehung

Es herrscht ein starker Temperaturgradient zwischen Photosphäre (≈5800K) und Korona (1.000.000K- 5.000.000K); die Korona ist thermisch instabil.

Abbildung 1: Aufbau der Sonne

Quelle: www1.physik.uni-greifswald.de/lehre/plasmaphysik/2007-ss- seminar/Sonnenwind-Polarlicht.pdf

Plasmateilchen werden stark erhitzt und auf hohe Geschwindigkeiten beschleunigt (größer als Fluchtgeschwindigkeit). Die Folge ist ein stetiger, die Sonne verlassender Strom von Materie (ca. 10^9kg_s). Man unterscheidet dabei zwischen dem langsamen (≈ 400^km_s ) und dem schnellen (≈ 800−900^km_s ) Sonnenwind, der im Bereich von koronalen Löchern austritt.

Koronale Löcher sind Bereiche in der Korona der Sonne, die eine niedrigere Tempe- ratur und Dichte als die Umgebung aufweisen (Dichte ca. um Faktor 100 niedriger).

Im Normalfall sind die magnetischen Feldlinien der Sonne im Äquatorbereich ge- schlossen und hindern das Plasma am Austreten. Wegen des ausgeprägt lokalen Charakters der Magnetfeldstrukturen kann es jedoch vorkommen, dass Bereiche mit gleicher magnetischer Polarität nebeneinander liegen, weswegen die magnetischen Feldlinien nicht mehr in einem kurzen Bogen zurück zur Sonne führen, sondern weit in den interplanetaren Raum hinausragen. Dort wird das Plasma also nicht mehr vom Magnetfeld auf der Sonne gehalten und kann entlang dieser Feldlinien mit hoher Geschwindigkeit entweichen:

Abbildung 2: Magnetfeldlinien auf Sonnenoberfläche Quelle: Wikipedia

2.2 Sonneneruptionen, Rekonnexion

Im Plasma liegen Elektronen und Ionen getrennt vor, wobei die Elektronen wegen ihrer viel kleineren Masse (≈Faktor 10⁴) eine größere mittlere Geschwindigkeit auf- weisen. Es fließt also ein elektrischer Strom, der ein Magnetfeld induziert. Das Plas- ma strömt nun entlang dieser Magnetfeldlinien (genauer gesagt auf Spiralbahnen um diese) , die, wie in Abbildung 2 zu sehen ist, einen Bogen auf der Sonnenoberfläche beschreiben.

Da die Sonne jedoch nicht wie ein starrer Körper rotiert, sondern verschiedene Zo- nen unterschiedliche Winkelgeschwindigkeiten haben, erfährt das Magnetfeld eine Scherung und damit verbunden eine Erhöhung der Feldenergie. Durch Verkürzung sich berührender Feldlinien kann das Magnetfeld wieder in einen Zustand niedrige- rer Energie übergehen (Rekonnexion), wobei elektromagnetische Energie frei wird, die zur Beschleunigung von geladenen Teilchen führt (Geschwindigkeiten bis zu 3000km/s sind möglich; dies entpricht≈5·10⁴eV für ein Proton). Es wurden gewal- tige Eruptionen von heißem Plasma in zeitlichem Zusammenhang mit Rekonnexion beobachtet.

Abbildung 3: Sonneneruption Quelle: www.physik.uni-

kl.de/urbassek/teaching/lectures/WeltraumWissenschaftsSeminar/Vortraege/vortrag- sonne.pdf

Treffen antiparallele Feldlinien aufeinander, so kann es passieren, dass sich oberhalb der Rekonnexionsregion Bereiche mit geschlossenen Feldlinien ablösen. Das darin enthaltene Plasma kann sich so von der Sonne ablösen und entweichen:

Abbildung 4: Magnetische Rekonnexion Quelle: www.physik.uni-

kl.de/urbassek/teaching/lectures/WeltraumWissenschaftsSeminar/Vortraege/vortrag- sonne.pdf

2.3 Anomale kosmische Strahlung

Als anomale (oder ungewöhnliche) kosmische Strahlung bezeichnet man die Kom- ponente der kosmischen Strahlung, die nicht durch Sonnenwind und -eruptionen er- klärbar und deren Energie kleiner ist als die der galaktischen kosmischen Strahlung.

Zur Erklärung ihrer Herkunft:

Unser Sonnensystem befindet sich in einer riesigen Blase aus Gas (geschätzter Ra- dius: 100-150 AE), der sogenannten Heliosphäre, in der das interstellare Medium durch den Sonnenwind verdrängt wurde:

Abbildung 5: Heliosphäre unseres Sonnensystems Quelle: Wikipedia, erstellt von NASA Zu den weiteren Bezeichnungen:

• Termination Shock:Dies bezeichnet die Grenze, an welcher der Sonnenwind vom ISM abrupt abgebremst und aufgeheizt wird.

• Sonnenscheide (Heliosheath):¹In diesem Bereich beginnt der Sonnenwind sich mit dem ISM zu vermischen. Dort befindet sich zur Zeit die Raumsonde Voyager1.

• Heliopause: Die Heliopause bildet den äußersten Rand der Heliosphäre (=

Grenze unseres Sonnensystems), also das Gebiet, in dem der Sonnenwind end- gültig nicht mehr in der Lage ist, das ISM zu verdrängen.

Die Heliosphäre kann man sich wie einen Wasserstrahl vorstellen, der in ein Wasch- becken fällt:

1Die Sonnenscheide trägt viel zum Schutz vor der kosmischen Strahlung bei, da die magnetischen Turbulenzen in der Sonnenscheide viel kosmische Strahlung ableiten, bevor sie überhaupt das innere Sonnensystem erreicht.

Vom Auftreffpunkt im Becken (Sonne) fließt das Wasser in einer perfekt runden Form nach außen (Sonnenwind), wird im Verlauf der Ausdehnung immer dünner und wird zu einem trägen, turbulenten Ring (Sonnenscheide).

Es wird vermutet, dass die anomale Komponente der kosmischen Strahlung durch Wechselwirkung des Sonnenwinds mit der interstellaren Materie im Bereich des Ter- mination Shocks entsteht: Schockwellen übertragen Energie auf Teilchen und be- schleunigen diese.

3 Galaktische kosmische Strahlung

Als galaktische kosmische Strahlung bezeichnet man die Komponente der kosmischen Strahlung mit Energien von10¹⁰−10¹⁶eV. Bei diesen Energien haben die Teilchen einen Zyklotronradius, der kleiner ist als der Durchmesser der Milchstraße, weswegen sie höchstwahrscheinlich aus unserer Galaxie stammen (siehe unten: Propagation der kosmischen Strahlung).

3.1 Fermi-Mechanismus 2.Ordnung

Der Fermi-Mechanismus zweiter Ordnung stellt einen sogenannten Nachbeschleuni- gungsmechanismus dar: Teilchen mit ultrarelativistischen Energien (E ≈pc) streuen an zufällig verteilten magnetisierten Plasmawolken im interstellaren Raum, die sich mit Geschwindigkeitenu~_i bewegen. Für die nachfolgende Rechnung wird angenomm- men, dass die Beträge der Geschwindigkeiten der Plasmawolken gleich sind.

Abbildung 6: Streuung eines Teilchens an einer magnetischen Plasmawolke Quelle: www-zeuthen.desy.de/ kolanosk/astro0506/skript.html

Ein Teilchen der Geschwindigkeitv~₁, v₁ ≈cstreut an einer Wolke der Geschwindig- keit ~u, dann gilt:

~

u·v~1 =uvcos Θ1

Wie bereits erwähnt sei die Energie des Teilchens ultrarelativistisch, also E₁ ≈p₁c.

Nach der Streuung tritt das Teilchen mit EnergieE₂ unter dem Winkel Θ₂ aus.

Im Schwerpunktsystem der Wolke ist die Streuung isotrop und es gilt (mit β = ^u_c; γ =q

1 1−β²):

E₁⁰ =γE₁(1−βcos Θ₁)

Außerdem sei noch angenommen, dass die Streuung im Wolkensystem vollkommen elastisch ist, also : E₁⁰ =E₂⁰

Eine Rücktransformation ins Laborsystem liefert dann:

E₂ = γE₂⁰(1 +βcos Θ⁰₂)

= γ²E₁(1 +βcos Θ⁰₂)(1−βcos Θ₁) (1) Um die mittlere Energieänderung zu berechnen, muss man nun noch über alle mög- lichen Relativgeschwindigkeiten und Streuprozesse mitteln (also über alle Winkel Θ1 und Θ⁰₂). Wegen der Isotropie der Streuung im Wolkensystem gilt nun:

<cos Θ⁰₂ >= 0

Für die Mittelung über die Relativgeschwindigkeiten ist es aber wichtig, dass die Stoßwahrscheinlichkeit von diesen abhängig ist (ein Stoß mit einer auf das Teilchen zukommenden Wolke ist wahrscheinlicher als ein Stoß mit einer Wolke, die vom Teilchen weg fliegt):

dN

dtdcos Θ₁ ∝v_rel =v−ucos Θ₁

→<cos Θ₁ >=

R1

−1dcos Θ₁(v−ucos Θ₁) cos Θ₁ R1

−1dcos Θ₁(v−ucos Θ₁) =− u

3v ≈ −β 3 Hierbei wurde v≈c verwendet.

In (1) eingesetzt ergibt dies:

< E₂ >=E₁1 + ¹₃β²

1−β² =≈E₁(1 + 4

3β²+O(β⁴))

Der Energiezuwachs ist also von 2.Ordnung in der Geschwindigkeit der Plasmawolke (deshalb der Name "Fermi-Mechanismus 2.Ordnung").

Nun noch ein paar Abschätzungen:

• Energiezuwachs: Der Energiezuwachs durch diesen Mechanismus ist sehr klein, da β ≤ 10⁻⁴ ist. Der Energieverlust (z.B. Stoßprozesse mit ISM) ist ähnlich groß.

• Zahl der Kollisionen:Die mittlere freie Weglänge der Teilchen beträgt einige pc, es kommt nur zu ungefähr einer Kollision pro Jahr

Dies bedeutet, dass diese Art der Beschleunigung nicht für die beobachteten sehr großen Energien verantwortlich sein kann. Es muss also Mechanismen geben, deren Energiezuwachs linear in β und bei denen die mittlere freie Weglänge viel kleiner ist.

3.2 Galaktische Quellen und ihre Beschleunigungsmechanismen

3.2.1 Supernova-Überreste (SNR)

Abbildung 7: Supernova Quelle: www.hubblesite.org

Genau solche Prozesse findet man in den äußeren Schalen von SNR. Die Schock- wellen, die durch die Supernovaexplosion entstehen, haben eine Vorzugsrichtung, weswegen hier die Mittelung übercos Θ⁰₂ ungleich null ist.

Schockbeschleunigung in SNR:

Zunächst einmal zum Begriff der Schockwelle:

Eine Schockwelle ist eine Störung, die sich mit einer Geschwindigkeit ausbreitet, die größer ist als die Schallgeschwindigkeit des Mediums in dem sie sich bewegt (bzw.

größer als die Alfvén-Geschwindigkeit ²). Wellen (z.B. Druckwellen) bewegen sich im Medium langsamer als die Schockfront, haben also auf deren Ausbreitung bzw.

auf die Materie vor der Schockfront keinen Einfluss. Vielmehr erfährt die Materie bei Auftreffen der Schockfront eine beinahe instantane Änderung von Temperatur,

2Die Alfvén-Geschwindigkeit ist ein Begriff aus der Plasmaphysik. Das Plasma wird als schwingungs- und störungsfähig angesehen, so dass ionisierte Gasteilchen um ihre Ausgangs- position schwingen können. Die Alfvén-Geschwindigleit ergibt sich dann aus dem Ansatz, dass kinetische und magnetische Energiedichte gleich groß sind zuvA=q

B² ρµ₀

Druck und Dichte.

Im Falle der Schockfronten , die bei SN-Explosionen entstehen, treffen die Schock- wellen auf das interstellare Gas und beschleunigen dieses.

Abbildung 8: Links Ruhesystem des interstellaren Gases; rechts: Ruhesystem der Schockfront:

Quelle: www-zeuthen.desy.de/ kolanosk/astro0506/skript.html

Dabei charakterisiert man das Gas vor (i=1) und hinter (i=2) der Schockfront durch Druck (Pi), Dichte (ρi) und Temperatur , (Ti), die durch die drei Schockbedingungen verknüpft sind:

• Massenerhaltung: j =ρ₁v₁ =ρ₂v₂

• Energieerhaltung:P₁+¹₂ρ₁(v²₁+c²₁) =P₂+¹₂ρ₂(v²₂+c²₂)

dies entspricht der Bernoulli-Gleichung für strömende Flüssigkeiten; diec_isind die Schallgeschwindigkeiten vor bzw. nach der Schockfront

• Impulserhaltung: P₁+ρ₁v₁² =P₂+ρ₂v²₂

Anmerkung: Das Gas hinter der Schockfront hat eine kleinere Geschwindigkeit als die Schockfront selbst, weil die Schockfront interstellares Gas aufsammelt und sich dadurch relativ zum nachfolgenden Gas nach vorne bewegt.

Nun zur Beschleunigung:

Abbildung 9: Beschleunigung an Schockfront

Quelle: www-zeuthen.desy.de/ kolanosk/astro0506/skript.html Auch hier gilt wieder:

E₂ =γ²E₁(1 +βcos Θ⁰₂)(1−βcos Θ₁)

Nun ist wieder über die Winkel zu mitteln, wobei nun nur über die jeweilige Hemi- sphäre gemittelt wird (also diejenige, in der das Teilchen im Beschleunigungsprozess verbleibt):

<cos Θ₁ >=

R0

−1dcos Θ₁cos Θ₁ R0

−1dcos Θ1

=−1 2

<cos Θ⁰₂ >=

R1

0 dcos Θ⁰₂cos Θ⁰₂ R1

0 dcos Θ⁰₂ = 1 2

Damit ergibt sich für die gemittelte Teilchenenergie nach der Streuung:

< E₂ >=E₁(1 + ¹₂β)²

1−β² ≈E₁(1 +β+O(β²))

Der Energiezuwachs ist hier also von 1.Ordnung in β (Fermi-Mechanismus 1.Ord- nung).

Daraus kann man das resultierende Energiespektrum berechnen: Allgemein gilt: (mit η= 1 +β)

E_k Ek−1

=η und somit:

E_k =E₀η^k

Die Wahrscheinlichkeit P, dass ein Teilchen nach einem Stoß im System verbleibt, sei konstant. Dann gilt:

N_k:=N(E =E_k) =N₀P^k und damit:

ln^N_N^k

0

ln^E_E^k

0

= lnP lnη bzw.

N_k N₀ =

E_k E₀

^ln_ln^P_η

Hieraus ergibt sich dann das Energiespektrum: (mit N(E0)=N0) dN

dE = dN dE(E₀)·

E E₀

^ln_ln^P_η−1

Da P und η Konstanten sind, ergibt sich also für das Energiespektrum ein Potenz- gesetz, was auch beobachtet wird. Macht man einige weitere Annahmen, erhält man

lnP

lnη −1≈ −2,1. Dies ist kein Widerspruch zu der Beobachtung, dass das gemessene Spektrum steiler verläuft, weil die kosmische Strahlung durch Wechselwirkung mit dem ISM Energie verliert.

Es gibt einige Argumente, die für SNR als Quellen der galaktischen kosmischen Strahlung sprechen:

• Effizienz:Bei einer erwarteten Rate von einer SN-Explosion in 30 Jahren in unserer Galaxie müsste nur in etwa 10% der Energie der Stoßwelle auf die Teilchen übertragen werden, um die Energiedichte der kosmischen Strahlung in der Milchstraße zu erreichen. Theoretische Berechnungen haben gezeigt, dass dies durchaus möglich ist.

• Energiespektrum:Die Beschleunigung in SNR erklärt auf eine einfache Art und Weise das Energiespektrum ( unabhängig von Besonderheiten der SN):

Die Teilchen haben je nach Verweildauer in den Schalen der SNR unterschied- liche Energien. Die maximal erreichbare Energie ist im Wesentlichen durch die Lebensdauer der Schockwellen gegeben (=maximale Beschleunigungszeit, im Mittel 10.000 a) und beträgt ≈10¹⁶eV.

• Zusammensetzung:Die Elementzusammensetzung der kosmischen Strahlung ist der Zusammensetzung der Materie in unserem Sonnensystem sehr ähnlich, was auf einen gemeinsamen Ursprung hindeutet. Die Entstehung unseres Son- nensystems wurde höchstwahrscheinlich auch durch eine SN-Explosion ausge- löst.

Diese plausiblen Argumente sind der Grund dafür, dass man heutzutage davon aus- geht, dass die SN-Explosionen die Quellen des Großteils der galaktischen kosmischen Strahlung sind.

3.2.2 Pulsare

Pulsare sind schnell rotierende Neutronensterne, bei denen die Symmetrieachse des Magnetfelds von der Rotationsachse abweicht, weswegen sie Synchrotronstrahlung entlang der Dipolachse aussenden.

Abbildung 10: Überlagerung der Aufnahmen eines Pulsars im Krebsnebel mit sichtbarem Licht (rot) und mit Röntgenlicht (blau)

Quelle: Wikipedia

Nach Maxwell induziert ein veränderliches Magnetfeld ein elektrisches Feld, in dem dann geladene Teilchen beschleunigt werden können. Da die Phänomene in der Ma- gnetosphäre sehr komplex sind, kann man vereinfachend annehmen, dass Drehachse und Magnetfeldachse parallel sind (Goldreich-Julian-Modell). Weitere Annahmen dieses Modells sind:

• Das Magnetfeld ist statisch und das eines punktförmigen Dipols.

• Die Sternmaterie ist ein idealer Leiter

Die Berechnungen in diesem Modell ergeben dann folgende Magnetosphäre:

Abbildung11: Schematische Darstellung der Magnetosphäre eines Pulsars Quelle: www-zeuthen.desy.de/ kolanosk/astro0506/skript.html ; Kapitel 5

Oberhalb einer kritischen Feldlinie fließen negativ und unterhalb davon positiv ge- ladene Teilchen nach außen. Die Komponente des elektrischen Felds, die parallel zu den Magnetfeldlinien ist, beschleunigt die Teilchen. Die elektrische Feldstärke auf der Sternoberfläche ist von der Ordnung O(10^12V_m), weswegen die resultierende elek- trische Kraft viel größer ist als die Gravitationskraft, und die Teilchen können auf hohe Energien beschleunigt werden.

3.2.3 Doppelsternsysteme

Doppelsternsysteme bestehen aus zwei einander umkreisenden Sternen. Liegen sie sehr nahe beieinander (Abstand unterhalb der Roche-Grenze) und besteht das Sys- tem aus einem massereichen, kompakten Stern (z.B. Neutronenstern) und einem großen Begleitstern (z.B. roter Riese), so akkretiert das Massereiche Objekt Materie vom Begleitstern.

Abbildung 12: Doppelsternsystem mit Akkretion Quelle: Wikipedia

Dabei bildet sich eine Scheibe aus Materie um das massereiche Objekt und Jets (siehe Kapitel "Jets") schießen senkrecht dazu weit in den interstellaren Raum hinaus.

Innerhalb der Jets bilden sich Stoßwellen aus, in denen Teilchen auf Energien bis 10¹⁶eV beschleunigt werden können.

4 Extragalaktische kosmische Strahlung

Oberhalb von 10¹⁶eV reichen die bisher besprochenen Mechanismen nicht aus, um diese extremen Energien zu erreichen. Zur Erklärung dieser Energien gibt es zwei verschiedene Möglichkeiten:

• Top-Down-Mechanismen: Es gibt Urknallrelikte (X-Teilchen) mit Masse m_X ≈10²⁵eV, die in hochenergetische Folgeprodukte zerfallen.

• Bottom-Up-Mechanismen: Die Teilchen werden durch einen Mechanismus auf ultrahohe Energien beschleunigt. Die Bedingungen in diesen Quellen müs- sen extrem sein, um diese Energien zu erreichen.

Da über die Existenz (oder Nichtexistenz) der Top-Down-Mechanismen nicht viel bekannt ist, soll im Folgenden nur auf die Bottom-Up-Mechanismen eingegangen werden.

4.1 Jets

Jets treten bei allen Prozessen mit Akkretion auf, von der Bildung von Sternen aus Gaswolken bis hin zu den superschweren schwarzen Löchern im Zentrum vieler Ga- laxien. Im Folgenden wird die Akkretion durch ein massereiches, kompaktes Objekt betrachtet.

Da Teilchen i.A. nicht direkt (d.h. ohne Drehimpuls) auf den Akkretor (= masse- reiches, kompaktes Objekt) stürzen, erwartet man, dass sich eine Scheibe um das massereiche Objekt bildet, die lokal mit der Keplergeschwindigkeit (∝r⁻¹²) rotiert.

Durch Reibung heizt sich die Scheibe sehr stark auf und die Materie in ihr ist teilwei- se oder vollständig ionisiert, was wegen der differentiellen Rotation zu elektrischen Strömen und damit zu Magnetfeldern führt. Reibung bedeutet jedoch auch eine Drehimpulsabgabe, weswegen die Teilchen langsam Richtung Zentrum wandern.

Die sehr komplexen Rechnungen zur Physik der Akkretionsscheiben basieren auf den Gleichungen der Magnetohydrodynamik, wobei für den innersten Teil der Scheibe zusätzlich die Feldgleichungen der ART wichtig sind. Die Prozesse, die dann zur Ausbildung der Jets führen, sind momentan Gegenstand intensiver Forschung. Mit großer Wahrscheinlichkeit spielen Magnetfelder eine zentrale Rolle, die durch die dif- ferentielle Rotation der Scheibe aufgewickelt und dadurch verstärkt werden können.

Sie können dann wie eine Feder wirken, die das Plasma entlang der Rotationsach- se (also senkrecht zur Scheibe) wegbeschleunigt, und zwar in zwei entgegengesetzt gerichteten, relativ engen Kegeln.

4.2 Aktive Galaktische Kerne (AGN)

Die AGN’s gelten als die wahrscheinlichsten Quellen von Teilchen mit Energien von bis zu mehreren10²⁰eV. Ein sehr massereiches schwarzes Loch (typisch:10⁹M) im Zentrum einer Galaxie akkretiert Materie aus dieser (dies ist sozusagen die energie- reichere Version eines Doppelsternsystems). Senkrecht dazu schießen relativistische Jets enorm weit in den Weltraum hinaus (einige10⁵ Lichtjahre sind möglich).

Abbildung 13: Jet aus schwarzem Loch im Zentrum der Galaxie M87 Quelle: www.hubblesite.org

Die Stoßwellen in den Jets beschleunigen die Teilchen dann auf höchste Energien.

Jedoch gibt es bei diesen hohen Energien ein Problem: Wir empfangen zwar Licht von AGN, die ≈10⁹ Lichtjahre entfernt sind, diese kommen wegen des GZK-cutoff jedoch nicht als Quellen der hochenergetischen Teilchen infrage. Dieser schränkt die maximale Entfernung der Quellen zur Erde auf ≈ 150·10⁶ Lichtjahre ein, die hochenergetischen Teilchen können also bestenfalls aus Nachbargalaxien kommen (zum Beispiel ist unsere nächste Nachbargalaxie, die Andromeda-Galaxie, in etwa 2,5·10⁶ Lichtjahre entfernt).

4.3 Gamma-Ray Bursts

Als Gamma-Ray Bursts bezeichnet man gewaltige Energieausbrüche, mit denen große Mengen an γ-Strahlung einhergehen. Diese Ausbrüche dauern in der Regel zwischen einigen Sekunden und mehreren Minuten, wobei sie dabei so viel Energie freisetzen wie die Sonne in mehreren Milliarden Jahren.

Abbildung 14: Gamma Ray Burst GRB 970228; Quelle ist scheinbar außerhalb der Milchstraße

Quelle: www.hubblesite.org

Die beobachteten Energien lassen sich nur dann erklären, wenn die Gammablitze nur in einer Vorzugsrichtung ausgesandt werden, z.B. in zwei engen, entgegengesetzt gerichteten Kegeln.

Als Quellen für diese extremen Ausbrüche kommen verschmelzende Neutronensterne und spezielle Supernova-Explosionen, sogenannte Hypernovae infrage. Hypernovae sind extrem massereiche Sterne (M > 20M), deren Kernbereich zu einem extrem schnell rotierenden schwarzen Loch kollabiert. Es bildet sich eine Akkretionsscheibe und senkrecht dazu entstehen Jets, in denen die starke γ-Strahlung erzeugt wird.

5 Die Suche nach den Quellen

5.1 Propagation der KS

Um die Quellen der kosmischen Strahlung zu identifizieren muss man die experimen- tellen Daten (Zusammensetzung der Strahlung, Energie, Richtung der Detektion) richtig deuten. Es gilt aus diesen Messungen und der Untersuchung des galaktischen Magnetfelds Propagationsmodelle abzuleiten, um den Weg der Strahlung zurückzu- verfolgen und damit die Quellen zu identifizieren.

Abbildung 15: Schema der Prozesse bei der Ausbreitung kosmischer Strahlung Quelle: http://particle.astro.kun.nl/hs0607/A-Helfrich.pdf

5.1.1 Die Rolle galaktischer Magnetfelder

Die kosmische Strahlung besteht zum Großteil aus geladenen Teilchen, auf die im Magnetfeld (typische Feldstärke der galaktischen Magnetfelder O(µG)) eine Kraft F~L=m·~v×B~ wirkt, was einem Bahnradiusr= _{qBsin Θ}^p entspricht, der Bahnradius wächst also mit dem Impuls.

Dies hat folgende Konsequenzen:

• Es gibt einen Grenzimpuls pgal, ab dem Teilchen, für deren Impuls p > pgal

gilt, mit großer Wahrscheinlichkeit extragalaktischen Ursprungs sind, während Teilchen mit p < p_gal mit großer Wahrscheinlichkeit galaktischen Ursprungs sind, da ihr Bahnradius kleiner ist als der Radius der Milchstraße. Zum Bei- spiel ergibt sich für ein Proton der Energie 10¹⁴eV ein Bahnradius von der Größenordnung O(10¹⁷m), was in etwa 10.000 mal kleiner ist als der Durch- messer der Milchstraße. Bisher sind jedoch weder theoretische Modelle noch

experimentelle Daten (vor allem über die Struktur der galaktischen Magnet- felder) hinreichend, um den Grenzimpuls genau zu bestimmen. Jedoch gilt es als sicher, dass Teilchen mit E <10¹⁷eV galaktischen Ursprungs sind.

• Die Teilchen der kosmischen Strahlung werden nach ihrer Entstehung vielfach von magnetischen Feldern abgelenkt, deren Verteilung und Stärke nicht im Detail bekannt ist. Die Messung der Richtung, aus der diese Teilchen kommen, beinhaltet also keine Information über die Herkunft. Im Experiment sieht man dies daran, dass die kosmische Strahlung isotrop auf die Erde trifft.

• Ausnahmen sind jedoch Teilchen mit sehr großen Impulsen, denn sie werden durch galaktische Magnetfelder kaum abgelenkt. Eine Messung der Herkunfts- richtung liefert also direkt Informationen über den Entstehungsort.

5.1.2 Wechselwirkung mit dem Interstellaren Medium

Die Propagation kosmischer Strahlung wird auch durch die Wechselwirkung mit dem ISM beeinflusst. Durch Stöße kann die kosmische Strahlung Energie verlieren oder sogar aus der galaktischen Scheibe gestreut werden. Desweiteren kommt es zu Spal- lationsprozessen: Schwerere Kerne der kosmischen Strahlung stoßen mit Protonen des ISM und zerfallen in leichtere, teilweise radioaktive Kerne.

Diese Wechselwirkungen erklären warum das Spektrum der kosmischen Strahlung steiler verläuft als es theoretische Berechnungen vorhersagen und die Elementzu- sammensetzung von der erwarteten abweicht.

5.1.3 Kosmische Uhren

Die sogenannten kosmischen Uhren stellen eine Methode zur Untersuchung des Al- ters der kosmischen Strahlung dar. Diese wird vor allem auf Verhältnisse zwischen Spallationsprodukten und dominanten primären Isotopen (z.B. ¹⁰12^BeC ;54³⁶F e^Cl) bzw. zwi- schen radioaktiven und nicht radioaktiven Spallationsprodukten (z.B.²⁶27^AlAl) unter- sucht, deren (bekannte) Halbwertszeiten und Zerfallsarten Rückschlüsse auf Alter und Zeit zwischen Erzeugung und Beschleunigung erlauben.

Man unterscheidet zwischen drei Uhren:

• Primäre Isotope: Die enthaltenen Elemente zeigen, welche Nukleosynthese- prozesse am Ort der Entstehung abgelaufen sein müssen. Damit kann man die Zahl möglicher Quellen eingrenzen.

• Beschleunigungsuhren:Die Beschleunigungsuhren liefern Informationen dar- über, wie viel Zeit zwischen Entstehung und Beschleunigung der Teilchen ver- gangen ist. Dazu wird der Anteil an primären Isotopen, die unter Elektronen- einfang zerfallen, untersucht. Der Anteil ihrer Folgeprodukte ist dann ein Maß für die vergangene Zeit zwischen Entstehung und Beschleunigung.

• Propagationsuhren: Propagationsuhren sind im Wesentlichen β^±-Strahler.

Aus dem Verhältnis der Edukte und Produkte des Zerfalls kann man mit Hilfe der bekannten Halbwertszeiten das Alter der kosmischen Strahlung bestim- men.

5.2 Gammastrahlenastronomie

γ-Strahlung eignet sich aus zwei Gründen hervorragend zur Suche nach den Quellen hochenergetischer kosmischer Strahlung: Zum einen wird sie durch elektromagne- tische Felder nicht abgelenkt und zum anderen wird sie durch Wechselwirkungen zwischen hochenergetischen Teilchen der kosmischen Strahlung erzeugt. Ihre Flug- richtung zeigt also direkt zum Ort ihrer Entstehung zurück und ihre Quellen sind sehr wahrscheinlich auch die von kosmischer Strahlung. Wegen dieser Vorteile su- chen heutzutage weltweit viele verschiedene Experimente (sehr aktuell z.B. AUGER) nach den Quellen dieser hochenergetischen γ-Strahlung.

Ein Nachteil dieser Methode ist, dass unsere Atmosphäre für γ-Strahlung undurch- sichtig ist, weswegen eine direkte Beobachtung nur mit Satelliten funktioniert. Bis

≈10¹⁰eV sind die Photonenflüsse noch groß genug, um mit auf Satelliten realisier- baren Detektorflächen noch genügend Ereignisse zu messen. Darüber sind die Photo- nenflüsse jedoch sehr gering, was riesige Nachweisflächen nötig macht und deswegen nur noch bodengestützte Experimente realisierbar sind, die dieγ-Strahlung indirekt über ihre Sekundärprodukte nachweisen und lokalisieren.

Eine sehr erfolgreiche Methode ist die der abbildenden Cherenkov-Teleskope:

Trifft sehr hochenergetische γ-Strahlung auf unsere Atmosphäre, so entsteht ein Luftschauer (Schauer aus Folgeprodukten), dessen Teilchen sich mit einer Geschwin- digkeit bewegen, die größer ist als die Lichtgeschwindigkeit im Medium. Die gelade- nen Partikel des Luftschauers senden dabei kegelförmig (Mach-Kegel) ein bläuliches Licht aus (Cherenkov-Licht, entspricht im wesentlichen einem Überschallknall), das am Boden aufgezeichnet wird. Damit kann man ein Bild des Luftschauers erstellen, mit dessen Hilfe man nun die Flugrichtung des auslösenden γ-Quants und damit evtl. die Quelle der Entstehung bestimmen kann.

Abbildung 16: Prinzip der abbildenden Cherenkov-Teleskope Quelle: www.wissenschaft-online.de/artikel/833074&_wis=1

5.3 Neutrinoastronomie

Um die Quellen kosmischer Strahlung zweifelsfrei nachzuweisen, benötigt man Teil- chen, die zum einen nur durch Wechselwirkung von Protonen und Atomkernen ent- stehen und deren Messung eine Ortung der Quelle möglich macht.

Die Neutrinos erfüllen genau diese Voraussetzungen: Sie sind elektrisch neutral (kei- ne Ablenkung durch elektromagnetische Felder) und können Materie problemlos durchdringen, da sie nur durch Gravitation und die schwache Wechselwirkung be- einflusst werden.

Das große Durchdringungsvermögen ist aber gleichzeitig ein großer Nachteil, da der Aufwand zur Detektion enorm ist.

5.4 Jüngste Ergebnisse

5.4.1 Der Himmel über HESS

Mit HESS (im Khomas-Hochland in Namibia) gelang 2005 der Beweis, dass in den Schalen von Supernova-Überresten (SNR) Elektronen oder Protonen auf Energien von10¹⁴eV beschleunigt werden. In der folgenden Abbildung ist die Schalenstruktur der beiden SNR schön zu erkennen.

Abbildung 17: Aufnahme von den Supernova- Überresten RX J1713.7–3946 und RX J0852–4622 im Infrarotbereich (oben), optischen Bereich (mitte) und mit

hochenergetischer γ-Strahlung (unten)

Quelle: www.wissenschaft-online.de/artikel/833074&_wis=1

Es bleibt jedoch noch zu zeigen, dass die SNR wirklich die Quellen der Protonen (dem Hauptbestandteil der kosmischen Strahlung) sind, und ob die Mechanismen

effizient genug sind, auch Teilchenenergien von bis zu 10¹⁵eV hervorzubringen.

Die γ-Strahlung kann nämlich sowohl von Elektronen als auch von Protonen er- zeugt werden: Bei der Wechselwirkung von Protonen mit Materie entstehen neu- trale Pionen, die in Photonen zerfallen. Auch hochenergetische Elektronen können γ-Strahlung erzeugen, nämlich durch Streuprozesse mit niederenergetischen Photo- nen, wobei dieser Prozess stark von den Magnetfeldern am Ort der Beschleunigung abhängt: Bei starken Magnetfeldern verlieren die Elektronen wegen ihrer kleinen Masse sehr schnell ihre Energie durch Synchrotronstrahlung. Starke Magnetfelder unterdrücken also den Anteil an γ-Strahlung, der durch Streuprozesse von Elektro- nen mit Photonen entsteht.

Die Magnetfelder im Bereich von SNR sind nicht genügend genau bekannt, um dies abzuschätzen. Jedoch deuten die gemachten Beobachtungen unter plausiblen An- nahmen darauf hin, dass in der Schale von SNR Protonen beschleunigt werden.

5.4.2 AUGER

Das noch im Aufbau befindliche Pierre-Auger-Observatorium in der argentinischen Pampa (auf der Norhalbkugel ist ein noch größeres Observatorium in den USA ge- plant) hat bereits jetzt Hinweise darauf gefunden, dass aktive galaktische Kerne die Quelle der höchstenergetischen Teilchen der kosmischen Strahlung sind. Nach sei- ner Fertigstellung wird es möglich sein, im Bereich oberhalb von 10¹⁹eV etwa 100 Ereignisse pro Jahr zu messen und damit die Datenlage in diesem Bereich erheb- lich zu verbessern und damit vielleicht sogar die Quellen der kosmischen Strahlung eindeutig zu identifizieren.

6 Zusammenfassung und Ausblick

Trotz beinahe 100 Jahren Forschung gibt es immer noch viele ungeklärte Fragen.

Vor allem die Mechanismen, die zur Beschleunigung von Teilchen auf extrem hohe Energien jenseits von 10¹⁷eV führen, sind noch nicht im Detail verstanden. Jedoch wurden seit der Entdeckung der kosmischen Strahlung große Fortschritte gemacht:

Die Entstehung der solaren kosmischen Strahlung ist inzwischen sehr gut verstanden.

Für die galaktischen Quellen erweisen sich Supernovae als die wahrscheinlichsten Kandidaten und auch das Rätsel um die Quellen der hochenergetischsten Teilchen scheint der Lösung nahe.

Dazu ein Zitat von Prof. Christian Stegmann, Professor für Astroteilchenphysik an der Universität Erlangen-Nürnberg:

"Wir erleben eine Zeit, in der von verschiedenen Seiten versucht wird, den Ursprung der Kosmischen Strahlung zu enträtseln. Gammastrahlungsexperimente vermessen die möglichen Quellen mit bisher nicht erreichter Präzision. Neutrinoteleskope wer- den in naher Zukunft die Empfindlichkeit erreichen, die es ermöglichen sollte, erste Quellen hochenergetischer Neutrinos zu entdecken. Und das Observatorium AUGER wird in den nächsten Jahren einen wesentlichen Beitrag zur Frage der Kosmischen

Strahlung bei den höchsten Energien liefern. Uns stehen sehr spannende Zeiten be- vor, und es ist durchaus möglich, dass das Rätsel der Beschleuniger der Kosmischen Strahlung seinen einhundertsten Geburtstag nicht mehr erleben wird."

7 Literatur

• www-zeuthen.desy.de/ kolanosk/astro0506/skript.html ; Skript der Vorlesung Astroteilchenphysik von Prof. Dr. Hermann Kolanoski, Kapitel 5

• www.wissenschaft-online.de/artikel/833074&_wis=1

• Schneider, Peter: Einführung in die Extragalaktische Astronomie und Kosmo- logie

• Collins, P. D. B., Martin, A. D. und Squires, E. J.: Particle Physics and Cos- mology

• www.physik.uni-kl.de/urbassek/teaching/lectures/WeltraumWissenschaftsSeminar/Vortraege/vortrag- sonne.pdf

• www.staff.uni-mainz.de/bpfeiffe/Vhs04f-w.pdf

• http://particle.astro.kun.nl/hs0607/A-Helfrich.pdf

• Vortrag: Gamma-Astronomie von Wolfgang Pfleger und Andreas Kodewitz zum Seminar Kerne und Sterne 2007 (Homepage von Prof. Gebhardt)

• www.astroteilchenphysik.de

• www.auger.de

• http://particle.astro.kun.nl/hs0607/A-Helfrich.pdf

• www.dk0wcy.de/5htm

• www.wikipedia.de

• www1.physik.uni-greifswald.de/lehre/plasmaphysik/2007-ss-seminar/Sonnenwind- Polarlicht.pdf

• http://hubblesite.org (viele schöne Bilder in der Galerie)