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Kosmische Strahlung auf der Erde

Kosmische Strahlung auf der Erde. Spektrum Zusammensetzung direkte Beobachtungsmethoden indirekte Beobachtungemethoden Magnetfelder (HE) Photon- und Neutrinodetektion. Luftschauer Experimente. KASKCADE („Knie“). KA rlsruhe S hower C ore and A rray DE tector-Grande.

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Kosmische Strahlung auf der Erde

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Presentation Transcript

  1. Kosmische Strahlung auf der Erde Spektrum Zusammensetzung direkte Beobachtungsmethoden indirekte Beobachtungemethoden Magnetfelder (HE) Photon- und Neutrinodetektion

  2. Luftschauer Experimente

  3. KASKCADE („Knie“) KArlsruhe Shower Core and Array DEtector-Grande • 200m x 200m (700m x 700m) • 252 + 37 Detektoren mit 13m Abstand • 16 Hütten bilden einen unabhängigen Cluster • Elektronikstation im Zentrum eines Clusters • Zentraler Detektor in der Mitte des Feldes • 1014-1018 eV • Streamertunnel für Myonen

  4. KASCADE Grande

  5. AUGER (1020eV) • 1600 autarken, solarbetriebenden Oberflächendetektoren (SD) mit 1500 m Abstand • 4x6 Floureszenz Detektoren (FD) • 3000 km2 Detektorfeld • 1450 m üNN • Argentinien (Pampa)

  6. Atmosphärische Zustandsgrößen • molekularen Eigenschaften der Atmosphäre • Temperatur • Druck • Dichte • atmosphärische Tiefe • relative Luftfeuchtigkeit • Heliumgefüllte Ballons bei 25 km üNN • 1m3 Volumen • Fallschirm zum Landen • Vollautomatische Sensoren und kleine Radiosonden • Speicherung der Daten alle 3-4s (8s max) • LIDAR Technik zur Bestimmung der Lichtstreuung vom Schauer zum Teleskop

  7. Elemente Zusammensetzung

  8. Elemente Zusammensetzung Kerne mit höherem Z haben bei gleicher Energy kleineren Gyroradius => KS bei hohen Energien besteht aus schwereren Kernen

  9. Photonenlimits bei Energien 10, 20 und 40 EeV Photonen und Neutrinos

  10. Magnetfelder im Universum • Erdmagnetfeld • Magnetfeld der Sonne • Interplanetares Magnetfeld • Galaktisches Magnetfeld • Extragalaktische Magnetfelder • Galaxienhaufen • Galaxien-Superhaufen • Voids ? • Astronomische Objekte (Effizienz der Teilchenbeschleunigung)

  11. Erdmagnetfeld • Dipolfeld ähnlich wie Stabmagnet • Dipolachse und Erdachse leicht verschoben • Pole wandern ca. 30 km pro Jahr • Ursprung in rotierendem Eisenkern • Äquator: 30mT oder 0.3 Gauß • Mitteleuropa: 48 mT oder 0.48 Gauß

  12. Erdmagnetfeld - Sonnenwind • Erdmagnetfeld reflektiert Sonnenwind • Schockfront: Sonnenwind wird vom Erdmagnetfeld reflektiert • Zwischen Schockfront und Erde liegt die Magnetosphäre

  13. Sonnenwind • Kosmische Strahlung von der Sonne • Niederenergetische Kosmische Strahlung • Ionisiert Atmosphäre • Sonnenwind wird komplett vom Erdmagnetfeld reflektiert • Van Allen Gürtel: Hohe Konzentration an geladenen Teilchen im Magnetfeld der Erde • Aurora Borealis (Nordlichter) • Aurora Australis (Südlichter)

  14. Geladene Teilchen im Magnetfeld • Gyroradius r [m] • Ladung ze • Magnetfeld B [T] • Impuls P • 300 MeV: 1 m (1T) • 1020eV: 30kpc (3x10-10 T) • Magnetische Steifigkeit R [V]

  15. Kosmische Strahlung (<104GeV) • Abschwächung bei E < 1GeV (103MeV) • Effekt variiert mit Sonnenzyklus: Solare Modulation (~11Jahre) • Steifigkeit (Rigidity) R = pc/ze = (A/z) (mpgvc/e) • p = gAmpv rel. Dreierimpuls • z Ladung • A Massenzahl • (A/z) ~ 2 • Variiert mit Beobachtungsort

  16. Erdmagnetfeld als Dipol • Ideales Dipolfeld • Dipolmoment pm und m0/4p = 10-7 TmA-1 • Achsen um ca. 11.5° verdreht • Stormer Radius rs „Kreisbahnen um Dipolachse in Äquatorebene“

  17. Ablenkung im Erdmagnetfeld • Positiv geladene Teilchen am Nordpol im Uhrzeigersinn auf Kreisbahn, von Osten nach Westen • Für rs=rE (rE=6.38x106m) • Positives Teilchen von Osten am Äquator braucht mindestens Steifigkeit Rs* um Erde zu erreichen

  18. Allgemeine Formel • q Zenithwinkel (Nadir q=180°) • l magnetische Breitengrad • f Azimutwinkel • f=0° Bewegung nach magnetisch Süden • f=90° Bewegung nach magnetisch Westen • f=270° Bewegung nach magnetisch Osten

  19. Ost-West Effekt • Für Teilchen aus dem Westen ist Cut-off kleiner für pos. KS • Teilchen kommt horizontal am Äquator aus dem Westen 10.2 GV • Teilchen kommt horizontal am Äquator aus dem Osten 59.6 GV

  20. „Rigidity Cut-off“

  21. Magnetfeld der Sonne • Ruhige Sonne: Dipolfeld • Kehrt sich alle 22 Jahre um (11 Jahre Zyklus) • 100 mT oder 1 Gauß • Nur 0.01 nT in Erdnähe (Abfall mit 1/r3) • Gemessen wird aber ~nT durch den Sonnenwind • Aktive Sonne: • Sonnenflecken: (0.4 T oder 4000 Gauss, • Protuberanzen: Magnetschleifen in den Gas und Teilchen festgehalten werden

  22. Interplanetares Magnetfeld • ~ nT (10-9 T = 10-5 Gauß) • Ursache ist der Sonnenwind • Elektrisch Leitendes Plasma führt Magnetfeld mit sich • Sonne wirkt wie ein MHD-Dynamo • Schockfront begrenzt Heliosphäre

  23. Galaktische(s) Magnetfeld(er) • ~3x10-10T = 3mG • Halo (30kpc) • Scheibe • Magnetfeld folgt den Spiralarmen • Ursprung noch nicht geklärt • HI und HII Wolken 10 mal stärker • Molekülwolken 100 mal stärker • Zeeman Aufspaltung von OH Masern nur 10-7T in sehr kleinen Gebieten

  24. Beobachtung von galaktischen Magnetfeldern Unsöld-Baschek „Der neue Kosmos“

  25. Polarisation des Sternenlichts • Staub absorbiert Sternenlicht • Reemission als polarisierte Wärmestrahlung • Staubteilchen in der Galaxie werden durch Magnetfeld ausgerichtet

  26. Zeemaneffekt • Spektroskopische Bestimmung des Magnetfeldstärke • Polarisation, Aufspaltung oder Verbreiterung der Spektrallinien • Homogenes Feld mit etwa <10 Tesla spaltet Energieniveaus auf (Quantenzahlen L, S und J) „Russel-Sanders-Kopplung“ • Effekt ist proportional zu B • (2J+1) äquidistante Energiezustände mit magnetischer Quantenzahl –J<Mj<+J • Energieverschiebung DE • Für B=0.1T (1kG) und l0=500nm => Verschiebung um 1pm =10-3nm (Sonnenfleck)

  27. Synchrotronstrahlung • B Magnetfeldstärke • nr Dichte der relativistischen Elektronen • s ~ 2.7 Exponent eines Potenzgesetzes der Elektronenverteilung • Beobachtung im Radiobereich bei < 40GHz, wegen Abfall mit 1/n • Abschätzung des mag. Energiedichte durch Äquipartition: Energiedichte der rel. Elektronen+Protonen ist gleich der Energiedichte des Magnetfeldes

  28. Synchrotronbeobachtungen • Gesamte Radiostrahlung (Konturlinien) • polarisierte Radiostrahlung (Striche) • Galaxie M 51 • gemessen mit den Radioteleskopen Effelsberg und VLA bei 3.6-cm-Wellenlänge. • Das optische Bild im Hintergrund vom Hubble Space Telescope der NASA/ESA

  29. Faraday-Drehung • Drehung der Polarisationsebene • Drehwinkel y [rad] • Wellenlänge l [m] • Elektronendichte ne [m-3] • Rotationsmaß RM [rad m-2] • longitudinale Komponente Bp [T] • Entfernung zur Radioquelle L [pc] • Extragalaktische Objekte bis zu 300 rad m-2

  30. Extragalaktische Magnetfelder • Astronomische Objekte (Aktive Galaxienkerne aller Typen) • Galaxienhaufen • Galaxien-Superhaufen • Voids ?

  31. Magnetfelder im Universum

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