Olber´sche Paradoxon Wenn das Universum seit jeher

eine unendliche Zahl an gleichmäßig verteilten Sternen besitzt, dann gilt: Die Gesamthelligkeit eines Sterns

ist unabhängig von der Entfernung des Beobachters (d.h. Licht streut erlischt aber nicht)

Ist das Universum unendlich groß, ist auf jeder möglichen Sichtlinie irgendwann ein Licht ausstrahlender Himmelskörper, sofern er nicht punktförmig ist (siehe Bäume im Wald).

Daraus folgt: Jeder Punkt am Himmel sollte dieselbe Helligkeit wie die Oberfläche eines Sternes besitzen.

Lösung

Endliche Zahl von Sternen mit endlicher Lebensdauer (107 Jahre)

Endliches Alter des Universums (Licht braucht länger von weitentfernten Quellen)

Rotverschiebung (Licht ist nicht mehr sichtbar)

Effekt der Rotverschiebung

X0 = beobachtete Größe

X=X(t) Größe zur kosmologischen Zeit t

30

0

10

0

0

)1(

)1()1(

)1(

zVV

zrrzEE

z

z

Kosmische Strahlung (KS) auf der Erde

Spektrum und Zusammensetzung der geladenen Komponente Magnetfelder Luftschauer Nachweismethoden

Ionisierende Strahlung (1910)

Radioaktive Strahlung –Strahlung He-

Kerne - Strahlung e-

– Strahlung Photonen Theodor Wulf

verbessert Messgerät (Wochen auf Tage)

Theorie: Ionisierenden Strahlung in der Luft entsteht durch radioaktive Elemente in der Erde

Wulf und der Eiffelturm (1910) T. Wulf erklimmt Eiffelturm Absorptionskoeffizient

von -Strahlung in Luft Halbwertsdicke: d1/2 = 120 m (Luft)

1) Falscher Absorptionskoeffizient

2) Radioaktivität der Instrumente

3) Radioaktive Elemente in der Luft

330m

6x106 Ionen m-3

3.5x106 Ionen m-3

Hess und sein Ballon (1912)

7 Ballonflüge (bis 5km Höhe) Ionisierungsrate nimmt mit der

Höhe zu 1936 Nobelpreis für Physik

Protokoll Viktor Hess, 7. August 1912

Beob.Nr.

Zeit

Mittlere Höhe Beobachtete Strahlung [ J ]

Temper-

atur[ ° C ]

Relative

Feuchtig-

keit[ % ]

Anmerk-ungenabsolut

[ m ]

relativ

[ m ]

App. I

qI [ J ]

App. II

qII [ J ]

App. III

qIII[ J ]

qIIIred[ J ]

1 15:15-16:15

156 0

17.3 12.9 - - - -

Zwei Tage vor dem Aufstieg am Klubplatz in Wien2 16:15-

17:15 15.9 11.9 18.4 18.4 - -

3 17:15-18:15 15.8 11.2 17.5 17.5 - -

4 06:45-07:45 1700 1400 15.8 14.4 21.1 25.3 + 6.4 60

 

5 07:45-08:45 2750 2500 17.3 13.3 22.5 31.2 +1.4 41

6 08:45-09:45 3850 3600 19.8 16.5 21.8 35.2 - 6.8 64

7 09:45-10:45

4400-5350

(4800)4700 40.7 31.8 - - - 9.8 40

8 10:45-11:15 4400 4200 28.1 22.7 - - - -

9 11:15-11:45 1300 1200 (9.7) (11.5

) - - - -

10 11:45-12:10 250 150 11.9 10.7 - - + 16.0 68

11 12:25-13:12 140 0 15.0 11.6 - - +18.0 76

1929 Geiger-Müller Zählrohr

1929 Photon oder Teilchen

„Hess ultra -radiation“ 1925 Milikan:

„Kosmische Strahlung“ 1929 Geiger-Müller

Zählrohr ermöglicht Detektion von einzelnen Ereignissen

Bothe und Kolhörster 1929 messen koinzidente Ereignisse mit Genauigkeit von 0.01s

Experimentaler Aufbau der Koinzidenz Messung Bothe und Kolhörster, Zeitschrift für Physik, 56, 751 (1929)

1938 Ausgedehnte Schauer

1938 Teilchendetektoren, die mehrere Meter auseinander stehen, detektieren zum gleichen Zeitpunkt Teilchen

Beobachtete Teilchen stammen aus ausgedehnten Teilchenschauern, die durch die Wechselwirkung kosmischer Strahlung mit der Atmosphäre entstehen

Primäres Teilchen sollte etwa 1015 eV besessen haben

Pierre Auger

1949 Beschleuniger E. Fermi stellt Theorie zur

Beschleunigung von Teilchen auf Geladene Protonen werden dabei in

„magnetischen Spiegeln“ reflektiert und erhalten so statistisch Energie

„Spiegel“ seien Unregelmäßigkeiten in Magnetfeldern der Galaxie, zB interstellare Gaswolken

Heute: Klein-skalige

Magnetfeldunregelmäßigkeiten in Supernovaüberresten

Beschleunigung in Supernova Explosionen

Pulsaren Relativistische Jets in aktiven

Galaxienkernen (AGN) Galaxienhaufen

Krebsnebel

AGN

1966 „GZK cut-off“ 1965 Entdeckung der kosmischen

Mikrowellenhintergrund-Strahlung (CMB)

Wechselwirkung von hochenergetischen Protonen mit Photonen

pp0 p n

Optische Tiefe:d= n() dl

E ~ 3x1019eV: Entfernung l < 100 Mpc E ~ 2x1020 eV : Entfernung l < 20 Mpc

Kenneth Greisen, Georgi Zatsepin und Vadem Kuzmin (“GZK cut-off”)

1992-2008 „AUGER“

AUGER Projekt: Jim Cronin und Alan Watson

1600 Wassertanks mit jeweils 12.000 l

Tanks stehen 1.5 km auseinander

Gesamte Fläche entspricht 10.000km2

Einweihung im November 2008

Offene Fragen:

Was sind die Quellen der kosmischen Strahlung ?

Wie werden Teilchen zu solch hohen Energien beschleunigt ?

Wie breitet sich kosmische Strahlung im interstellaren Medium bis zur Erde aus ?

Werden die Eigenschaften der Strahlung dabei verändert ?

Was sind die höchsten Energien der kosmischen Strahlung ?

Primäre kosmische Strahlung

Kosmische Strahlung, ihren Ursprung in einiger Entfernung der Erdoberfläche jenseits der Atmosphäre hat

Je nach Ursprung teilt man sie in Solare KS Galaktische KS Extragalaktische KS

Differentielles Energiespektrum

Teilchen pro Energieintervall, Fläche, Zeit und Raumwinkelintervall

dEEKdEENdtdEdAd

dNEN

)(

)(

Differentielles Energiespektrum

dEEEKdEEN 5.2)(

Kosmische Strahlung (<104GeV) Abschwächung bei

E < 1GeV (103MeV) Effekt variiert mit

Sonnenzyklus: Solare Modulation (~11Jahre)

Steifigkeit (Rigidity) R = pc/ze = (A/z) (mpvc/e) p = Ampv rel. Dreierimpuls z Ladung A Massenzahl

(A/z) ~ 2

Spektrum verschiedener Elemente

Spektal index 2.5-2.7 E>103GeV totale

Energie Primäre Elemente

werden in den Quellen kosmischer Strahlung (zB. SN) produziert (Fe, C)

Sekundäre Elemente entstehen durch Spallation mit dem interstellaren Gas (Ti, V, K, B).

Anomale 4He Komponente Anstieg bei E<60MeV Ursache noch nicht geklärt Wird schwächer mit zunehmender Nähe

zur Sonne Keine einfache Korrelation mit Modellen

zur Sonnenmodulationen

Anomale 4He Komponente

Teilchen werde möglicherweise in den äußeren Regionen der Heliosphäre beschleunigt.

Elektronen und Positronen

Positronen 10% Elektronenfluß Sekundärteilchen

Primäre Elektronen schwierig zu beobachten

Große Anzahl an sekundär Elektronen in der Atmosphäre durch Teilchenschauer

E3N(E)dE mit N(E)dE ~ E-3.4dE m-2 s-1sr-1

E<1GeV Abschwächung durch solare Modulation (E<10GeV)

Verluste durch Synchrotronstrahlung

Casadei & Bindi (20049

Synchrotronverluste

Diffusionslänge: r ~1 kpc (E/1TeV) -1

Strahlungsverlustzeit: trad~2.1x105 (E/1TeV) -1 yr

Radioemission gibt Aufschluss über Magnetfelder

20

20

22

38

34

cmE

r

UcdtdE

T

BT

Elektron

Photon

Magnetfeld

M51, 11kpc, Whirlpool galaxy

Elemente-Häufigkeit

1. Maxima bei C, N, O, Fe

2. „Gerade-ungerade“ Effekt

3. Li, Be, B viel zahlreicher in den CR (Exzess)

4. Elemente < Fe zahlreicher (Exzess)

5. H, He, weniger vorhanden Vergleiche Anzahl Elemente

in der kosmische Strahlung und im Sonnensystem

Elemente-Häufigkeiten im Sonnensystem

Elemente-Häufigkeit in der Milchstrasse

Population I Metallreiche Sterne,

Sonne, Scheibe, Zs=0.02 Population II Metallarme Sterne, Halo,

Z=10-4 Zs

Population III „Allerersten Sterne“ mit

primordialer Zusammensetzung