Kosmische Strahlung auf der Erde Spektrum n Zusammensetzung

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

Luftschauer Experimente 2

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

KASCADE Grande 4

AUGER (1020 e. V) n n n 1600 autarken, solarbetriebenden Oberflächendetektoren (SD) mit 1500 m Abstand 4 x 6 Floureszenz Detektoren (FD) 3000 km 2 Detektorfeld 1450 m üNN Argentinien (Pampa) 5

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

Elemente Zusammensetzung 7

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

Photonen und Neutrinos n Photonenlimits bei Energien 10, 20 und 40 Ee. V 9

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

Erdmagnetfeld n n n Dipolfeld ähnlich wie Stabmagnet Dipolachse und Erdachse leicht verschoben Pole wandern ca. 30 km pro Jahr Ursprung in rotierendem Eisenkern Äquator: 30 m. T oder 0. 3 Gauß Mitteleuropa: 48 m. T oder 0. 48 Gauß 11

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

Sonnenwind n n n n 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) 13

Geladene Teilchen im Magnetfeld n Gyroradius r [m] ¡ ¡ ¡ n Ladung ze Magnetfeld B [T] Impuls P 300 Me. V: 1 m (1 T) 1020 e. V: 30 kpc (3 x 10 -10 T) Magnetische Steifigkeit R [V] 14

Kosmische Strahlung (<104 Ge. V) n n n Abschwächung bei E < 1 Ge. V (103 Me. V) Effekt variiert mit Sonnenzyklus: Solare Modulation (~11 Jahre) Steifigkeit (Rigidity) = pc/ze = (A/z) (mpgvc/e) ¡ ¡ ¡ n n R p = g. Ampv rel. Dreierimpuls z Ladung A Massenzahl (A/z) ~ 2 Variiert mit Beobachtungsort 15

Erdmagnetfeld als Dipol n n Ideales Dipolfeld Dipolmoment pm und m 0/4 p = 10 -7 Tm. A-1 Achsen um ca. 11. 5° verdreht Stormer Radius rs „Kreisbahnen um Dipolachse 16 in Äquatorebene“

Ablenkung im Erdmagnetfeld n n n Positiv geladene Teilchen am Nordpol im Uhrzeigersinn auf Kreisbahn, von Osten nach Westen Für rs=r. E (r. E=6. 38 x 106 m) Positives Teilchen von Osten am Äquator braucht mindestens Steifigkeit Rs* um Erde zu erreichen 17

Allgemeine Formel n n n 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 18

Ost-West Effekt n 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 19

„Rigidity Cut-off“ 20

Magnetfeld der Sonne n n n Ruhige Sonne: Dipolfeld Kehrt sich alle 22 Jahre um (11 Jahre Zyklus) 100 m. T oder 1 Gauß Nur 0. 01 n. T in Erdnähe (Abfall mit 1/r 3) Gemessen wird aber ~n. T durch den Sonnenwind Aktive Sonne: ¡ Sonnenflecken: (0. 4 T oder 4000 Gauss, ¡ Protuberanzen: Magnetschleifen in den Gas und Teilchen festgehalten werden 21

Interplanetares Magnetfeld n n n ~ n. T (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 22

Galaktische(s) Magnetfeld(er) n n n n ~3 x 10 -10 T = 3 m. G Halo (30 kpc) 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 -7 T in sehr kleinen Gebieten 23

Beobachtung von galaktischen Magnetfeldern Methode Anzeigendes Aussage Medium über a) Polarisation des Sternenlicht Staub Bs b) Zeeman-Effekt der 21 cm Linie Neutraler Wasserstoff Bp c) Synchrotronstrahlung Relativistische Elektronen Bs d) Faraday-Drehung Thermische Elektronen Bp 24 Unsöld-Baschek „Der neue Kosmos“

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

Zeemaneffekt n n n n 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 (2 J+1) äquidistante Energiezustände mit magnetischer Quantenzahl – J<Mj<+J Energieverschiebung DE Für B=0. 1 T (1 k. G) und l 0=500 nm => Verschiebung um 1 pm =10 -3 nm (Sonnenfleck) 26

Synchrotronstrahlung n n n B Magnetfeldstärke nr Dichte der relativistischen Elektronen s ~ 2. 7 Exponent eines Potenzgesetzes der Elektronenverteilung Beobachtung im Radiobereich bei < 40 GHz, wegen Abfall mit 1/n Abschätzung des mag. Energiedichte durch Äquipartition: Energiedichte der rel. Elektronen+Protonen ist gleich der Energiedichte des Magnetfeldes 27

Synchrotronbeobachtungen n n 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 28

Faraday-Drehung n n n n 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 29

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

Magnetfelder im Universum 31