kosmische strahlung in unserer galaxie
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Kosmische Strahlung in unserer Galaxie. Das Interstellare Medium Gas Staub Sternentstehung und -entwicklung Interstellares Photonenfeld Wechselwirkung von kosmischer Strahlung Photonen geladene Komponente. Photon-Photon Paarproduktion. g low. e-. g high. g high. e+. - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
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1
Kosmische Strahlung in unserer Galaxie
Das Interstellare Medium Gas Staub
Sternentstehung und -entwicklung Interstellares Photonenfeld
Wechselwirkung von kosmischer Strahlung Photonen geladene Komponente
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2
Photon-Photon Paarproduktion
low
high
e-
e+
high
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3
Lokales interstellares Photonenfeld
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4
Koordinatensystem
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5
Interstellares Photonenfeld in der Galaxie
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6
Krebsnebel
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Teilchensorten
Primäre und sekundäre Kerne (Protonen)
Primäre und sekundäre Elektronen Sekundäre Positronen
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8
Wechselwirkung geladener Kosmischer Strahlung
1) Pion Produktion durch hadronische Welchselwirkung (KS und ISM) (katastrophaler Verlust + Emission dominant > 100 MeV
2) Bremsstrahlung von relativistischen Elektronen an Kernen des ISM (Energieverluste + Emission wichtig <100MeV)
3) Inverse Compton Streuung von Elektronen am interstellaren Photonenfeld (Energieverluste + Emission wichtig <100 MeV)
Synchrotronemission (Energieverlust + Radioemission) Ionisation (Energieverlust) Coulomb-Wechselwirkung (Energieverlust)
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9
Galaktischer Gammastrahlungshintergrund
Strong & Moskalenko (1998)
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10
Wechselwirkung geladener Kosmischer Strahlung
Pion Produktion durch hadronische Welchselwirkung (KS und ISM)
Bremsstrahlung von relativistischen Elektronen an Kernen des ISM
Inverse Compton Streuung von Elektronen am interstellaren Photonenfeld
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11
Pion Produktionp+p p + p+p p + +e+ + e ++
p
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-Meson Zerfall
p+p p + p + -
3,2 Gammaphotonen pro ZerfallEnergie für 3,2 Photonen: E = 0.81 E
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Pionen Energiespektrum Energie des Pions E
Energie des Protons Ep
x Übertragende Energie vom Proton auf das Pion Inklusiver totaler Wirkungsquerschnitt Grenzenergieübertrag x=m/Ep
p
tinel
pp
EEx
pddpdE
ExF
/
),( 23
3
),(),( pp ExdxdExF
(x,Ep) ausSimulationsrechnungen mit SYBILL, QGSJET …
p+p p +
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Pionen Energiespektren 0 ~ + ~ - Verteilung – Verteilung jeweils ein (KS) Proton
mit Energien 0.1-103 TeV
Simulation SYBILLals Histogramm
Parametrisierung als glatte Kurve
Kelner,Aharonian & Bugayov(2006)
p+p p +
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15
Pionenzerfall: 1.
Energieverteilung der Gammaphotonen Q Pionenspektrum J Anzahl der Photonen NN Gesamtenergien = p
00
0
)()(
2)(
)(2)(
dEEJEdEEQE
dEEQ
EdEEJEQ
E
Beispiel: Potenzgesetz für Pionenspektrum
Laborsystem
p+p p +
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16
Pionenzerfall: 2.
m
mmE
mmm
E2
,2
220
220
000 Epp
427.0/1
1
22
00max,
mm
EppEEm
E
Laborsystem
Ruhesystem0
/
)()(E E
dEEJEQ
p+p p +
Beispiel: Potenzgesetz für Pionenspektrum
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17
Myonenzerfall: ee
Beschreibung eines Dreikörperzerfall ist komplexer
Elektron- und Neutrinospektren aus Myonenzerfall werden bis zur Pionenenergie reichen
Unterschied zu Neutrinospektren aus Pionenzerfall. Die reichen nur bis 0.427 E !
EppEEm
E )(1 00max,
p+p p + e
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Energiespektren aller Sekundärteilchen
Monoenergetisches Pion (neutrales und geladenes haben gleiche Energie)
Aller Verteilungen sind normiert:
1
0
1dxdxdw
K, A & B (2006)
p+p p + ep+p p +
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Vom Pion zurück zum Proton
J Jp(Ep)
p+p p + ep+p p +
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KS-Protonenverteilung
J Jp(Ep)
0
exp)(EE
EAEJ p
ppp
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Sekundärspektren für Protonenverteilung
Parametrisierung bis Ep>0.1 TeV Deltafunktionsnäherung Ep<0.1 TeV
p
pp
pp
EppinelH E
dEE
EE
FEJEcndEdN
,)()(
(ersetze durch e oder für weitere Sekundärspektren)
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Sekundärteilchen Verteilung
Kelner, Aharonian & Bugayov (2006)
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Wechselwirkung geladener Kosmischer Strahlung
Pion Produktion durch hadronische Welchselwirkung (KS und ISM)
Bremsstrahlung von relativistischen Elektronen an Kernen des ISM
Inverse Compton Streuung von Elektronen am interstellaren Photonenfeld
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Elektronen in unserer Galaxie
Elektronen und Positronen als Sekundärteilchen aus Pion-Zerfall
Elektronen als beschleunigte Primärteilchen
Moskalenko & Strong (1998)
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25
Energieverluste
nH =nH II =0.01 cm-3
Strong & Moskalenko (1998)
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Diffusionsgleichung für Elektronen
Verteilung von Elektronen zwischen E und E+E: N(E)dE
-(dE/dE) = b(E) Energieverluste (pos) und Gewinne (neg)
Injektionsrate Q(E,t) Betreten und Verlassen des
Volumens durch DiffusionVolumen dV
ee e
)()()( ENEbdEd
dtEdN
),( tEQ
InjektionsrateElektronen Q(E, t)
ee
)(2 END
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„Steady-state“ Lösung
Gleichmässige, unendliche Verteilung an Quellen injizieren rel. Elektronen
mit dem Spektrum Q(E)= kE-p
Diffusion unwichtig
)()( ENEbdEd )(EQ
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Elektronen im ISM
Integriere für N(E)0, E
)()()( EQENEbdEd
)()1()(
)1(
EbpkEEN
p
23221 8.19ln)( EAEA
cmEA
dtdEEb
e
Ionisationsverluste Bremsstrahlung IC, Synchrotron
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Änderung des Anfangsspektrums
1) Ionisationsverluste: N(E)E-(p-1) (flacher um E) 2) Bremsstrahlung N(E) E-p (unverändert) 3) IC, Synchrotronverluste N(E) E-(p+1)
(steiler um E)
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Wechselwirkung geladener Kosmischer Strahlung
Pion Produktion durch hadronische Welchselwirkung (KS und ISM)
Bremsstrahlung von relativistischen Elektronen an Kernen des ISM
Inverse Compton Streuung von Elektronen am interstellaren Photonenfeld