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Typ 1a Supernovae und Quellen kosmischer Strahlung

03.07.2009 , Nikolaus Heners. Typ 1a Supernovae und Quellen kosmischer Strahlung. Typ 1a Supernovae und Quellen kosmischer Strahlung. Merkmale der kosmischen Strahlung Spektrum Zusammensetzung Energiebetrachtung Astrophysikalische Quellen kosmischer Strahlung

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Typ 1a Supernovae und Quellen kosmischer Strahlung

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  1. 03.07.2009 , Nikolaus Heners Typ 1a Supernovae und Quellen kosmischer Strahlung

  2. Typ 1a Supernovae und Quellen kosmischer Strahlung • Merkmale der kosmischen Strahlung • Spektrum • Zusammensetzung • Energiebetrachtung • Astrophysikalische Quellen kosmischer Strahlung • Leistungsfähigkeit möglicher Quellen • Fermi-Beschleunigung • Kandidaten für UHECR • Sonnenfleckenpaare • Pulsare • Doppelsterne • Supernovaexplosionen • Supernovae vom Typ 1a • Modelle mit Hochleistungsrechnern • Häufigkeit • Offene Fragen

  3. Energiespektrum der kosmischen Strahlung 1000 Teilchen pro s und m2 Knie: 5*1015 eV 2.Knie: 3*1017 eV 1 Teilchen pro m2 und Jahr Knöchel: 3*1018 eV GZK-CUTOFF 1 Teilchen pro km2 und Jahrhundert ! Keine thermische Beschleunigung [2]

  4. Spektrum: Skalierte Darstellung Knie: 5*1015 eV 2.Knie: 3*1017 eV Knöchel: 3*1018 eV [2]

  5. Zusammensetzung Leichte Elemente Eisen Blei [2] • Alle Elemente des Periodensystems • Verteilung des Sonnensystems bis auf einige Ausnahmen (Spallation: Zerstörung von Atomkernen durch Kollisionen mit anderen Teilchen)

  6. Energie -> 2-3 Supernovae pro Jahrhundert und Galaxie liefern genug Energie

  7. Typ 1a Supernovae und Quellen kosmischer Strahlung • Merkmale der kosmischen Strahlung • Spektrum • Zusammensetzung • Energiebetrachtung • Astrophysikalische Quellen kosmischer Strahlung • Leistungsfähigkeit möglicher Quellen • Fermi-Beschleunigung • Kandidaten für UHECR • Sonnenfleckenpaare • Pulsare • Doppelsterne • Supernovaexplosionen • Supernovae vom Typ 1a • Häufigkeit • Modelle mit Hochleistungsrechnern • Offene Fragen

  8. Astrophysikalische Quellenkosmischer Strahlung • Elektrostatische oder elektromagnetische Komponente? • Bahn des Teilchens in der Beschleunigungsregion durch Magnetfelder • Maximale Energie Relativistische Bewegung der Quelle Klassischer Larmor-Radius

  9. Leistungsfähigkeit möglicher Quellen : Hillas-Plot [1]

  10. Fermi-Beschleunigung (2.Ordnung) • Stochastische Beschleunigung: Wechselwirkung mit wandernden magnetischen Wolken

  11. Fermi-Beschleunigung (2.Ordnung) • Stochastische Beschleunigung: Wechselwirkung mit wandernden magnetischen Wolken

  12. Fermi-Beschleunigung (2.Ordnung) • Stochastische Beschleunigung: Wechselwirkung mit wandernden magnetischen Wolken

  13. Fermi-Beschleunigung (2.Ordnung) • Stochastische Beschleunigung: Wechselwirkung mit wandernden magnetischen Wolken Man erhält ein Potenzspektrum. Die Geschwindigkeiten der Wolken sind jedoch zu gering. Der Prozess zweiter Ordnung liefert keine Energien im erhofften Bereich .

  14. Fermi-Beschleunigung (1.Ordnung) • Beschleunigung durch astrophysikalische Schockfronten (shockwaves)

  15. Fermi-Beschleunigung (1.Ordnung) • Beschleunigung durch astrophysikalische Schockfronten (shockwaves)

  16. Fermi-Beschleunigung (1.Ordnung) • Beschleunigung durch astrophysikalische Stoßwellen (shockwaves) • Stoßwellengeschwindigkeit >> mittlere Geschwindigkeit magnetischer Wolken • lineare Abhängigkeit • erhoffte Energien durch Fermi-Prozess 1.Ordnung • Ausmaße der Quellen • Verluste: • Synchrotronstrahlung • Altersbedingter Cutoff (Schockgeschw.: 3000 km/s): [4] Je älter ein SNR ist, desto größer ist die maximal vermittelbare Energie

  17. Leistungsfähigkeit möglicher Quellen [1]

  18. Energiespektrum der kosmischen Strahlung: UHECR ultra-highenergycosmicrays 1 Teilchen pro m2 und Jahr Keine thermische Beschleunigung [2]

  19. Kandidaten [3]

  20. AGNs • Beiträge bis • Bruch bei (GZK Cutoff), wenige Radiogalaxien in dieser Region • Synchrotronverluste für hochenergetische Protonen bei B>100G • Jets, Hot Spots + Extended Lobes als mögliche Quellregionen bei hoher Effizienz des Fermimechanismus

  21. Pulsare • Rotierende, magnetische Neutronensterne • Hohe Dichte nach dem Gravitationskollaps • => starke E-Felder • Crab Pulsar, Chandra X-Ray [4]

  22. Doppelsterne • Systeme aus einem Pulsar und einem Neutronenstern • Fluss geladener Teilchen (Akkretion) • Starke Felder

  23. Von der Sonne kommende Teilchen im Energiespektrum 1 Teilchen pro m2 und Jahr Keine thermische Beschleunigung [2]

  24. Sonnenfleckenpaare • Sonnenflecken entgegengesetzter Polarität • Induziertes Feld bei Annäherung (->10 V/m) • Geringe Atmosphärendichte • Energien im GeV Bereich

  25. Typ 1a Supernovae und Quellen kosmischer Strahlung • Merkmale der kosmischen Strahlung • Spektrum • Zusammensetzung • Energiebetrachtung • Astrophysikalische Quellen kosmischer Strahlung • Leistungsfähigkeit möglicher Quellen • Fermi-Beschleunigung • Kandidaten für UHECR • Sonnenfleckenpaare • Pulsare • Doppelsterne • Supernovaexplosionen • Supernovae vom Typ 1a • Häufigkeit • Modelle mit Hochleistungsrechnern • Offene Fragen

  26. Supernova Typ 1a Hubble Space Telescope richtet den Blick auf SN 1994d • Kandidaten ohne Wasserstoff- und Heliumlinien: • schwarze Löcher • weiße Zwerge • Neutronensterne • Wolf-Rayet Sterne

  27. Supernova Typ 1a Hubble Space Telescope richtet den Blick auf SN 1994d • Kandidaten ohne Wasserstoff- und Heliumlinien: • schwarze Löcher • weiße Zwerge • Neutronensterne • Wolf-Rayet Sterne Kompakt

  28. Supernova Typ 1a • Maximale Magnitude • Charakteristische Entwicklung der Leuchtkraft • Nickel-56 -> Cobalt-56 -> Eisen-56 [5]

  29. Supernova Typ 1a • Maximale Magnitude • Charakteristische Entwicklung der Leuchtkraft • Nickel-56 -> Cobalt-56 -> Eisen-56 [4] SN 1a Explosionen müssen aus weißen Zwergen hervorgehen und instabile Nickelkerne erzeugen

  30. Hohe Temperaturen • Novae: • Massenabstoss • wiederkehrende Emission • geringer Bruchteil der Gesamtenergie wird emittiert • vergleichbare kinetische Energie der abgestoßenen Hülle

  31. Explosion • Steigende Dichte, sinkendes Volumen • Entartetes Elektronengas • Chandrasekhar-Grenze • 400 Millionen Grad: Kohlenstoffbrennen im entarteten Zustand (kein Thermostat!) [4] Der Gasdruck kann dem Gravitationsdruck nicht mehr genug Widerstand leisten. Chandrasekhar Grenzmasse

  32. Thermonukleare Aktivität Roter Riese Weißer Zwerg

  33. Explosion • Steigende Dichte, sinkendes Volumen • Entartetes Elektronengas • Chandrasekhar-Grenze • 400 Millionen Grad: Kohlenstoffbrennen im entarteten Zustand (kein Thermostat) • Zünden aller Brennstoffe • Flammenfront DSMintakaMayer15 Chandrasekhar Grenzmasse

  34. Modelle mit Hochleistungsrechnern • Deflagration ( ) Flamme unter Schallgeschwindigkeit, Konvektion • Detonation ( ) Ausbreitung über Schallgeschwindigkeit (Schockfrontszenario), fast vollständige Fusion in Ni-56 • Synthetische Spektra in guter Näherung [5]

  35. Modelle mit Hochleistungsrechnern Deflagrationsmodell Deflagration (Hillebrandt) t=0s

  36. Modelle mit Hochleistungsrechnern t=0.3s

  37. Modelle mit Hochleistungsrechnern t=0.6s

  38. Modelle mit Hochleistungsrechnern t=2s

  39. Häufigkeit Typ 1a Typ 2/ 1b,1c Nicht in elliptischen Galaxien, sondern nur in Spiral- und irregulären Galaxien, vornehmlich zu den Armen hin • Alle Galaxientypen, auch in Halos von Spiralgalaxien Elliptische Galaxie NGC 1316 (Hubble Space Telescope)

  40. Offene Fragen • Elementhäufigkeiten (Unterschiede trotz ähnlicher Lichtkurven, Photometrie: kein Kohlenstoff nach der Explosion (WD!)) • Wie stark wird das Licht einer Supernova durch die Galaxie, in der sie sich befindet, abgeschwächt? • Computersimulation (Schichtung vs. Durchmischung) • Merger Szenarien • …

  41. Zusammenfassung • Die maximal mögliche kinetische Energie, die eine Quelle vermitteln kann, ist durch deren Radius R und Magnetfeldstärke B gegeben. • Kandidaten für UHECR Quellregionen sind u.a. AGNs, GRBs und Pulsare. Dabei liefert der Fermimechanismus 1.Ordnung ein Modell, das Beschleunigungen zu hohen Energien gewährleisten kann. • Typ 1a Supernovae zeichnen sich durch fehlende Wasserstoff- und Heliumlinien aus. Im Gegensatz zu allen anderen Typen geht man davon aus, dass thermonukleare Kontraktion vorliegt. • Man vermutet, dass das Knie mit der bei Supernovaexplosionen maximal verfügbaren Energie in Verbindung steht.

  42. Quellen • [1] Hillas: The Origin of Ultra-High-EnergyCosmic Rays, Ann. Rev. Astron. Astrophys. 1984.22:425-44 • [2] Blümer et al., Cosmic Rays fromtheKneetotheHighestEnergies, arXiv:0904.0725v1 • [3] Pelletier: Fermi AccelerationofAstroparticles • [4] Drexlin: Skript zur Astroteilchenphysik 2 • [5] Hillebrandt, Röpke: Supernovae vom Typ 1a, Sterne und Weltraum 05/2005

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