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

Francesca Capel leitet neue Arbeitsgruppe am MPP

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 genauer Ursprung ist jedoch bis heute unbekannt. Die Astrophysikerin erhält eine dreijährige Förderung über das Minerva Fast Track Programm für herausragende junge Wissenschaftlerinnen.

Francesca Capel (Foto: Axel Griesch/MPP)

Francesca Capel (Foto: Axel Griesch/MPP)

Woher stammen die energiereichsten Teilchen im Universum? Diese Frage wird Francesca Capel in den nächsten drei Jahren in den Mittelpunkt ihrer Forschung am MPP stellen. Nach heutigem Verständnis besteht die kosmische Strahlung aus Protonen, also Wasserstoffkernen, sowie Kernen schwererer Elemente.  

Es wird vermutet, dass diese Teilchen von Objekten außerhalb unserer Galaxie auf extrem hohe Energien beschleunigt werden. Ihr Weg durchs Universum verläuft nicht geradlinig: Die positiv geladenen Teilchen wechselwirken mit Materie und werden von Magnetfeldern abgelenkt. Sie hinterlassen jedoch eine Spur aus Photonen (Lichtteilchen) und Neutrinos, die die Erde ohne Umwege erreichen können.  

Zusammen mit ihrer Arbeitsgruppe wird Capel verschiedene Signale untersuchen: die kosmische Strahlung, Neutrinos und Lichtteilchen (Photonen). "Man kann sich diese Signale als Boten vorstellen, die unterschiedliche Informationen transportieren – über ihre Herkunft, aber auch über die Regionen im Universum, durch die sie gereist sind. Wenn wir sie gemeinsam untersuchen, können wir ihre astrophysikalischen Quellen besser verstehen", erklärt Francesca Capel

Große Forschungsverbünde, darunter die Gammastrahlenteleskope MAGIC/CTA (Beteiligung des MPP) und das Neutrino-Observatorium IceCube haben große Mengen an relevanten Daten gesammelt. "Diese Datensätze sind sehr komplex, und um die Informationen effektiv zusammenzuführen, brauchen wir fortgeschrittene Werkzeuge zur Datenanalyse", sagt Capel. Die Entwicklung statistischer Methoden wird ein wichtiger Teil dieser Forschung an der Schnittstelle zwischen Experiment und Theorie.  

Bevor sie ihre neue Position am MPP antrat, war Capel Postdoc am ORIGINS Data Science Lab des Exzellenzclusters ORIGINS. Sie promovierte auf dem Gebiet der Astroteilchenphysik am KTH Royal Institute of Technology in Stockholm. Ihr Masterstudium in Physik absolvierte sie am Imperial College in London, einschließlich eines einjährigen Dissertationsprojekts an der École Polytéchnique Fédérale de Lausanne im Rahmen des Erasmus-Programms. Ihre Gruppe wird auch durch den Exzellenzcluster ORIGINS und den SFB-1258 unterstützt, an denen das MPP als Partnereinrichtung beteiligt ist.   

Über das Minerva-Programm  

Das Programm richtet sich an Promovierte aus den Fächern Chemie, Physik und Technik oder den Geistes-, Sozial-und Humanwissenschaften. Es eröffnet herausragenden Wissenschaftlerinnen im Anschluss an die Doktorarbeit eine frühe, zukunftsweisende Karriereoption. Minerva Fast Track Fellowships werden einmal jährlich nach einem Nominierungsverfahren mit anschließender Evaluation vergeben. Die geförderten Forscherinnen erhalten eine Extraförderung von bis zu drei Jahren (Sach- und Personalmittel). Danach besteht die Möglichkeit, sich auf eine Max-Planck-Forschungsgruppe zu bewerben.

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