Einfžhrung i n die Astrophysik Teil 1

3.3. ALTERSBESTIMMUNG 193
Mit N(γ) bezeichnen wir im folgenden den spektralen Teilchenstrom
N(γ) = ˙ �
NE ; I = E 2 NEdE ˙ (3.11)
wobei I die Flussdichte ist (Einheit erg cm −2 s −1 ).
Das Spektrum (für Protonen) sieht folgendermassen aus
N(γ) ∝ γ −2.5
∝ γ −3.2
für γ < 10 6
für γ < 10 11
(3.12)
(3.13)
mit γ 2 N(γ) = const (konservativ extrapoliert) und N(γ) = 2γ −2.5 cm −2 s −1 ab 10 11 eV (also etwa
γ = 1). Die Energiedichte der Hauptkomponente beträgt damit
u = 4π
c I ; Iγ = γmpc 2 N(γ) (3.14)
etwa 1 · 10 −12 erg cm −3 (für γ = 1 bis 100) ergibt. Das ist fast genau so viel, wie die magn. Energie
des galaktischen Feldes und etwas mehr als die Energiedichte des Sternenlichts (5 · 10 −13 erg cm −3 )
und der kosmologischen 2.7 K Hintergrundstrahlung (4·10 −13 erg cm −3 ). Für die Teilchendichte ergibt
sich damit im unteren Bereich etwa n = 10 −10 cm −3 .
Die Elektronenkomponente fällt bei hohen Energien etwas steiler ab und reicht nur bis etwa 10 TeV (γ
= 10 7 ).
N(γ) ∝ γ −2.5
∝ γ −3.7
für γ < 10 6
für γ < 10 7
(3.15)
(3.16)
Die Energiedichte der Elektronenkomponente beträgt etwa 4 · 10 −13 erg cm −3 , beide Komponenten
zusammen (Protonen plus Elektronen) sind dann vergleichbar mit der des galaktischen Magnetfeldes
(B 2 /8π = 1.2 · 10 −12 erg cm −3 ) falls das Feld 6 µGauß beträgt.
Das Energie Maximum liegt bei den niedrigen Energien, die besonders schwer zu messen sind (Erdmagnetfeld,
Sonnenwind). Die Energiedichte der Elektronenkomponente kann aber aus der Synchrotronstrahlung
der Milchstraße abgeschätzt werden.
Bei E = 10 15 eV ist ein Knick bei der Protonenkomponente, der bisher unverstanden ist.
Neben der direkten Erzeugung radioaktiver Kerne in Fusionsprozessen, können diese auch durch hochenergetische
Teilchen der kosmischen Strahlung erzeugt bzw. verändert werden.
Die Energiedichte der hochenergetischen, diffuse Photonen beträgt dagegen nur 4 · 10 −18 erg cm −3 im
Röntgenbereich und 1 · 10 −18 erg cm −3 im Gammabereich.
Wechselwirkung mit der ISM
Die drei verschiedenen Komponenten der kosmischen Strahlung haben unterschiedliche Wechselwirkungen
mit den Teilchen bzw. den Feldern des interstellaren Raums:
Die Baryonen ionisieren die Atomhülle (Wechselwirkungmit Elektronen) und erzeugen neue chemische
Elemente (Spallation des Atomkerns).
Die Elektronen erzeugen Synchrotronstrahlung.
Die Photonen mit hν > 2mec 2 liefern Paarerzeugung.