03 07 2009 nikolaus heners
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Typ 1a Supernovae und Quellen kosmischer Strahlung

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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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Presentation Transcript
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
    • Leistungsfähigkeit möglicher Quellen
    • Fermi-Beschleunigung
    • Kandidaten für UHECR
    • Sonnenfleckenpaare
    • Pulsare
    • Doppelsterne
  • Supernovaexplosionen
    • Supernovae vom Typ 1a
    • Modelle mit Hochleistungsrechnern
    • Häufigkeit
    • Offene Fragen
energiespektrum der kosmischen strahlung
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]

spektrum skalierte darstellung
Spektrum: Skalierte Darstellung

Knie: 5*1015 eV

2.Knie: 3*1017 eV

Knöchel: 3*1018 eV

[2]

zusammensetzung
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)
energie
Energie

->

2-3 Supernovae pro Jahrhundert und Galaxie liefern genug Energie

typ 1a supernovae und quellen kosmischer strahlung7
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
astrophysikalische quellen kosmischer strahlung
Astrophysikalische Quellenkosmischer Strahlung
  • Elektrostatische oder elektromagnetische Komponente?
  • Bahn des Teilchens in der Beschleunigungsregion durch Magnetfelder
  • Maximale Energie

Relativistische Bewegung der Quelle

Klassischer Larmor-Radius

fermi beschleunigung 2 ordnung
Fermi-Beschleunigung (2.Ordnung)
  • Stochastische Beschleunigung: Wechselwirkung mit wandernden magnetischen Wolken
fermi beschleunigung 2 ordnung11
Fermi-Beschleunigung (2.Ordnung)
  • Stochastische Beschleunigung: Wechselwirkung mit wandernden magnetischen Wolken
fermi beschleunigung 2 ordnung12
Fermi-Beschleunigung (2.Ordnung)
  • Stochastische Beschleunigung: Wechselwirkung mit wandernden magnetischen Wolken
fermi beschleunigung 2 ordnung13
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 .

fermi beschleunigung 1 ordnung
Fermi-Beschleunigung (1.Ordnung)
  • Beschleunigung durch astrophysikalische Schockfronten (shockwaves)
fermi beschleunigung 1 ordnung15
Fermi-Beschleunigung (1.Ordnung)
  • Beschleunigung durch astrophysikalische Schockfronten (shockwaves)
fermi beschleunigung 1 ordnung16
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

energiespektrum der kosmischen strahlung uhecr
Energiespektrum der kosmischen Strahlung: UHECR

ultra-highenergycosmicrays

1 Teilchen pro m2 und Jahr

Keine thermische

Beschleunigung

[2]

slide20
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
pulsare
Pulsare
  • Rotierende, magnetische Neutronensterne
  • Hohe Dichte nach dem Gravitationskollaps
  • => starke E-Felder
  • Crab Pulsar, Chandra X-Ray

[4]

doppelsterne
Doppelsterne
  • Systeme aus einem Pulsar und einem Neutronenstern
  • Fluss geladener Teilchen (Akkretion)
  • Starke Felder
von der sonne kommende teilchen im energiespektrum
Von der Sonne kommende Teilchen im Energiespektrum

1 Teilchen pro m2 und Jahr

Keine thermische

Beschleunigung

[2]

sonnenfleckenpaare
Sonnenfleckenpaare
  • Sonnenflecken entgegengesetzter Polarität
  • Induziertes Feld bei Annäherung (->10 V/m)
  • Geringe Atmosphärendichte
  • Energien im GeV Bereich
typ 1a supernovae und quellen kosmischer strahlung25
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
supernova typ 1a
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
supernova typ 1a27
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

supernova typ 1a28
Supernova Typ 1a
  • Maximale Magnitude
  • Charakteristische Entwicklung der Leuchtkraft
  • Nickel-56 -> Cobalt-56 -> Eisen-56

[5]

supernova typ 1a29
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

hohe temperaturen
Hohe Temperaturen
  • Novae:
  • Massenabstoss
  • wiederkehrende Emission
  • geringer Bruchteil der Gesamtenergie wird emittiert
  • vergleichbare kinetische Energie der abgestoßenen Hülle
explosion
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

thermonukleare aktivit t
Thermonukleare Aktivität

Roter Riese

Weißer Zwerg

explosion33
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

modelle mit hochleistungsrechnern
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]

modelle mit hochleistungsrechnern35
Modelle mit Hochleistungsrechnern

Deflagrationsmodell

Deflagration (Hillebrandt)

t=0s

h ufigkeit
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)

offene fragen
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
zusammenfassung
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.
quellen
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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