Ein mikroskopisches Model fuer kleinskalige Anisotropien in der kosmischen Strahlung durch magnetische Turbulenz

• Antragsteller: Professor Dr. Philipp Mertsch
• Fachliche Zuordnung: Astrophysik und Astronomie
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 426614101

Die Erde wird ständig von einem Fluss geladener Teilchen aus dem Weltraum bombardiert, der kosmischen Strahlung. Das Standardbild für den Transport kosmischer Strahlung sagt sehr kleine Fluktuationen in ihren Ankunftsrichtungen auf den größten Winkelskalen (~ 180 Grad) voraus, ungefähr 1 Teil in 1000 für Energien zwischen 1 TeV und 1 PeV. Beobachtungen zeigen jedoch Anisotropien auf viel kleineren Winkelskalen von zu einigen Grad. Das Standardbild der kosmischen Strahlung sagt diese kleinskaligen Anisotropien nicht vorher, und es wurden verschiedene Ansätze zur Erklärung vorgestellt. Der wahrscheinlich vielversprechendste Vorschlag ist, dass die kleinskaligen Anisotropien die turbulente Struktur des Magnetfeldes in der näheren Galaxie widerspiegeln. Tatsächlich betrachtet das Standardbild der kosmischen Strahlung nur das Ensemble-Mittel der Phasenraumdichte und ignoriert somit mögliche Korrelationen zwischen Paaren von Teilchen, womit Anisotropien auf kleinen Winkelskalen unterschätzt werden. In dem revidierten Bild bestimmen die räumlichen Korrelationen des turbulenten Magnetfeldes innerhalb weniger mittlerer freier Weglängen die vom Beobachter gesehenen Winkelkorrelationen.Diese Idee wurde bisher nur durch numerisches Tracking von Teilchen durch turbulente Magnetfelder getestet oder in effektiven Theorien für das makroskopische Verhalten, z.B. durch heuristische Parametrisierungen für die Winkelabhängigkeit von Streuraten. Eine verlässliche Theorie, die die Abbildung räumlicher Korrelationen des turbulenten Magnetfelds in Winkelkorrelationen der kosmischen Strahlung erklärt, ist dringend erforderlich. Eine spannende Anwendung davon wäre die Untersuchung der Turbulenzstruktur des interstellaren Mediums (z. B. Kolmogorov oder Kraichnan, äußere Turbulenzskala, Verhältnis von turbulentem zu regulärem Feld) durch die Beobachtung der kosmischen Strahlung.Wir schlagen vor, ein detailliertes mikroskopisches Modell zu entwickeln, das das Winkelleistungsspektrum der Anisotropien auf kleinen Skalen für ein gegebenes Turbulenz-Modell vorhersagt. Ziel ist es, die zeitliche Entwicklung der Korrelationen zwischen Teilchen zu beschreiben, die Bildung eines quasi-stationären Zustands der Anisotropien zu untersuchen und das Winkelleistungsspektrum zu berechnen. Im Mittelpunkt unseres Ansatzes steht die Berechnung des Zwei-Teilchen-Propagators, der in eine perturbative Reihe in der Stärke effektiver Wechselwirkungen zweier Teilchen entwickelt werden kann. Daraus werden wir das Winkelleistungsspektrum berechnen und es mit verfügbaren Beobachtungen vergleichen, um verschiedene Turbulenzmodelle zu testen.Dieser Ansatz für den Transport kosmischer Strahlung, insbesondere die Berechnung der Korrelationen von Phasenraumdichten, ist völlig neu und wurde nach unserem Wissen bisher noch nie vorgestellt. Das Projekt ist ambitioniert, aber wir haben einen detaillierten Plan ausgearbeitet und sind deswegen zuversichtlich, es erfolgreich durchführen zu können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Dänemark
• Kooperationspartner: Professor Dr. Markus Tobias Ahlers