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Typ 1a Supernovae und Quellen kosmischer Strahlung - PowerPoint PPT Presentation


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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
03 07 2009 nikolaus heners l.jpg

03.07.2009 , Nikolaus Heners

Typ 1a Supernovae und Quellen kosmischer Strahlung


Typ 1a supernovae und quellen kosmischer strahlung l.jpg
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 l.jpg
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 l.jpg
Spektrum: Skalierte Darstellung

Knie: 5*1015 eV

2.Knie: 3*1017 eV

Knöchel: 3*1018 eV

[2]


Zusammensetzung l.jpg
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 l.jpg
Energie

->

2-3 Supernovae pro Jahrhundert und Galaxie liefern genug Energie


Typ 1a supernovae und quellen kosmischer strahlung7 l.jpg
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 l.jpg
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 l.jpg
Fermi-Beschleunigung (2.Ordnung)

  • Stochastische Beschleunigung: Wechselwirkung mit wandernden magnetischen Wolken


Fermi beschleunigung 2 ordnung11 l.jpg
Fermi-Beschleunigung (2.Ordnung)

  • Stochastische Beschleunigung: Wechselwirkung mit wandernden magnetischen Wolken


Fermi beschleunigung 2 ordnung12 l.jpg
Fermi-Beschleunigung (2.Ordnung)

  • Stochastische Beschleunigung: Wechselwirkung mit wandernden magnetischen Wolken


Fermi beschleunigung 2 ordnung13 l.jpg
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 l.jpg
Fermi-Beschleunigung (1.Ordnung)

  • Beschleunigung durch astrophysikalische Schockfronten (shockwaves)


Fermi beschleunigung 1 ordnung15 l.jpg
Fermi-Beschleunigung (1.Ordnung)

  • Beschleunigung durch astrophysikalische Schockfronten (shockwaves)


Fermi beschleunigung 1 ordnung16 l.jpg
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 l.jpg
Energiespektrum der kosmischen Strahlung: UHECR

ultra-highenergycosmicrays

1 Teilchen pro m2 und Jahr

Keine thermische

Beschleunigung

[2]



Slide20 l.jpg
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 l.jpg
Pulsare

  • Rotierende, magnetische Neutronensterne

  • Hohe Dichte nach dem Gravitationskollaps

  • => starke E-Felder

  • Crab Pulsar, Chandra X-Ray

[4]


Doppelsterne l.jpg
Doppelsterne

  • Systeme aus einem Pulsar und einem Neutronenstern

  • Fluss geladener Teilchen (Akkretion)

  • Starke Felder


Von der sonne kommende teilchen im energiespektrum l.jpg
Von der Sonne kommende Teilchen im Energiespektrum

1 Teilchen pro m2 und Jahr

Keine thermische

Beschleunigung

[2]


Sonnenfleckenpaare l.jpg
Sonnenfleckenpaare

  • Sonnenflecken entgegengesetzter Polarität

  • Induziertes Feld bei Annäherung (->10 V/m)

  • Geringe Atmosphärendichte

  • Energien im GeV Bereich


Typ 1a supernovae und quellen kosmischer strahlung25 l.jpg
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 l.jpg
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 l.jpg
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 l.jpg
Supernova Typ 1a

  • Maximale Magnitude

  • Charakteristische Entwicklung der Leuchtkraft

  • Nickel-56 -> Cobalt-56 -> Eisen-56

[5]


Supernova typ 1a29 l.jpg
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 l.jpg
Hohe Temperaturen

  • Novae:

  • Massenabstoss

  • wiederkehrende Emission

  • geringer Bruchteil der Gesamtenergie wird emittiert

  • vergleichbare kinetische Energie der abgestoßenen Hülle


Explosion l.jpg
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 l.jpg
Thermonukleare Aktivität

Roter Riese

Weißer Zwerg


Explosion33 l.jpg
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 l.jpg
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 l.jpg
Modelle mit Hochleistungsrechnern

Deflagrationsmodell

Deflagration (Hillebrandt)

t=0s





H ufigkeit l.jpg
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 l.jpg
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 l.jpg
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 l.jpg
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