Astrophysikalische Boten

Modellierung und Analyse von energiereichen Astroteilchen

Das Universum wurde lange ausschließlich mithilfe des sichtbaren Lichts erforscht. In jüngerer Zeit haben sich diese Beobachtungen auf das gesamte elektromagnetische Spektrum ausgeweitet, von Radio- bis zu hin zu Gammastrahlen. Damit lassen sich neue, vielfältige und energiereiche Quellen, entfernte Regionen und die frühen Epochen des Universums untersuchen. Auch astrophysikalische Teilchen – kosmische Strahlung und Neutrinos – zählen zu den Boten, die sich zur Erforschung des Kosmos nutzen lassen.

Unsere Forschung befasst sich mit sehr energiereichen astrophysikalischen Teilchen. Um diese seltenen Boten aufzuspüren, nutzen Forschende Detektoren in der Erdatmosphäre, im polaren Eis und in den Ozeanen. Bei der kosmischen Strahlung handelt es sich um geladene Teilchen: Protonen und Kerne schwererer Elemente, die auf hohe Energien beschleunigt werden. Obwohl wir kosmische Strahlung bis zu den höchsten Energien nachweisen können, ist ihr Ursprung unklar. Geladene Teilchen wechselwirken auf ihrem Weg zur Erde mit ihrer Umgebung, was zu Energieverlusten und Ablenkungen in Magnetfeldern führt. Dies macht es schwierig, ihren Ursprung zu bestimmen. Zu den möglichen Quellen, die Teilchen auf extreme Energien beschleunigen können, gehören Gammastrahlenausbrüche, aktive galaktische Kerne, Blazare und Galaxienhaufen.

Auf ihrem Weg durchs Universum wechselwirken die hadronischen Teilchen der kosmischen Strahlung mit Materie und Strahlungsfeldern. Dabei werden Gammastrahlen und Neutrinos erzeugt. Diese elektrisch neutralen Boten erreichen die Erde ohne Umwege und liefern ergänzende Informationen. Die Interpretation dieser Beobachtungen stellt jedoch eine weitere Herausforderung dar. Gammastrahlen können auch durch nicht-hadronische Prozesse erzeugt werden, die von Signaturen der Teilchenbeschleunigung unterschieden werden müssen. Neutrinos sind ein direktes Zeichen für hadronische Prozesse. Allerdings zeigen sie nur eine schwache Wechselwirkung und lassen sich daher schwer nachweisen. Die Kombination von Beobachtungen verschiedener kosmischer Boten gewährt einen detaillierten Blick auf energiereiche astrophysikalische Objekte. Wir besitzen damit ein neues „Labor“, mit dem sich Teilchenphysik bei extremen Energien untersuchen lässt.

Dank groß angelegter Experimente in den letzten zehn bis 20 Jahren sind inzwischen viele relevante Datensätze verfügbar. So haben beispielsweise die Pierre Auger- und Telescope Array-Experimente Daten zur Ultrahochenergie-Strahlung gesammelt, das IceCube-Observatorium liefert Neutrino-Daten. Im Bereich der Gamma-Astronomie arbeitet die Gruppe „Astrophysical Messengers“ mit der MPP-Gruppen für MAGIC und CTA zusammen. Unser Ziel ist es, fortgeschrittene statistische Analysemethoden zu entwickeln. Damit wollen wir das Potenzial der verfügbaren Daten voll ausschöpfen und ein tieferes Verständnis der möglichen Quellen dieser energiereichen Teilchen gewinnen. Die neuen Ansätze sollen die aktuelle Forschung ergänzen, indem sie eine engere Verbindung zwischen Theorie und experimentellen Daten schaffen und Informationen aus verschiedenen Beobachtungen wirkungsvoll kombinieren.

Mehr Informationen zur Gruppe "Astrophysical Messengers"

Aktuelle Meldungen

21.04.2022

Das Max-Planck-Institut für Physik (MPP) heißt Francesca Capel willkommen. Die Postdoktorandin leitet ab dem 1. Mai 2022 eine Arbeitsgruppe zur näheren Erforschung von Neutrinos und der kosmischen Strahlung. Diese energiereichen Astroteilchen werden von weit entfernten Objekten beschleunigt, ihr…

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Gruppenmitglieder

E-Mail-Adresse: E-Mail@mpp.mpg.de
Telefonnummer: +49 89 32354-Durchwahl
Name Funktion E-Mail Durchwahl Büro
Capel, Francesca, Dr. Postdoc capel 561 204
Kuhlmann, Julian PhD-Student kuhlmann 561 203
Watanabe, Keito Student watanabe 561 203

Publikationen

Bayesian constraints on the astrophysical neutrino source population from IceCube data
Capel, F., Mortlock D. J. & Finley, C.
2020, Physical Review D, 101, 123017
DOI: 10.1103/PhysRevD.101.123017

Impact of using the ultra-high-energy cosmic ray arrival energies to constrain source associations
Capel, F. & Mortlock, D. J.
2019, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 484, 2324.
DOI: 10.1093/mnras/stz081