Acceleration and propagation of cosmic rays in high-metallicity astrophysical environments
Creators: name: Müller, Ana Laura
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2021
Subjects: cosmic rays
starburst galaxies
active galactic nuclei
non-thermal emission
Pierre Auger Observatory

description: Der Ursprung der ultra-hochenergetischen kosmischen Strahlung ($10^{18}$-$10^{20}$ eV) ist eines der größten Mysterien in der gegenwärtigen Astrophysik. Obwohl die Strahlung des kosmischen Mikrowellenhintergrunds die Teilchenbeschleuniger auf einen Abstand zu unserem Sonnensystem von wenigen 100 Mpc begrenzt, ist die direkte Identifizierung dieser kosmischen Quellen durch die von Magnetfeldern hervorgerufene Ablenkungen der Teilchenbahnen eine sehr anspruchsvolle Aufgabe. Betrachtet man die aktuellen Beobachtungen der kosmischen Strahlung, deuten die von der Pierre-Auger-Kollaboration durchgeführten Anisotropiesuchen auf eine Korrelation der Ankunftsrichtung der Teilchen mit Starburstgalaxien und aktiven Galaxienkernen hin. Letztere stellen dabei den größten Anteil der vom Fermi-Satelliten entdeckten GeV-Gammastrahlenemitter dar. Damit besteht eine sehr hohe Wahrscheinlichkeit, dass relativistische Teilchen in diesen astrophysikalischen Quellen existieren. Zudem wurde die Emission von Gammastrahlung mit einer Energie im Bereich von TeV von verschiedenen aktiven Galaxien beobachtet, und des Weiteren kürzlich ein IceCube-Neutrinoereignis vorgeschlagen, das mit einem GeV-Flare eines Blazars in Verbindung gebracht werden könnte. Im Fall der Starburstgalaxien erhöhte sich die Zahl der bei GeV-Energien entdeckten Objekte in den letzten acht Jahren von vier auf acht und es ist zu erwarten, dass mit zukünftigen Generationen von Teleskopen zudem weitere dieser Galaxien entdeckt werden können. Starburstgalaxien und aktive Galaxienkerne wurden zudem auch als Kandidaten für Quellen der ultra-hochenergetische kosmische Strahlung von theoretischen Arbeiten vorgeschlagen. Prozesse, die in beiden astrophysikalischen Quellen ablaufen, sind in der Lage, eine große Menge an Energie freizusetzen, die unter bestimmten Bedingungen in relativistische Teilchen umgewandelt werden kann. Zusätzlich weist die gemessene hohe Metallizität dieser Objekte darauf hin, dass Teilchenkerne mittlerer Masse in diesen Quellen beschleunigt werden können. Diese Kerne mit einer Masse schwerer als ein Proton, aber leichter als ein Eisenkern wurden von der Pierre-Auger-Kollaboration beobachtet. In dieser Arbeit untersuchen wir die Erzeugung von kosmischer Strahlung in drei verschiedenen Szenarien: in großräumige Stoßwellen, die durch Starburstsuperwinde angetrieben werden, in Bugstoßwellen um Zusammenballungen von kaltem Gas, die in Starburstsuperwinden eingebettet sind, und in Stoßwellen, die durch Kollisionen von Plasmawolken der broad-line Region mit Akkretionsscheiben von aktiven Galaxienkernen erzeugt werden. Alle Analysen wurden mittels semi-analytischer Simulationen durchgeführt, deren Bezugsparameter entsprechend den gesammelten Informationen aus Veröffentlichungen ausgewählt wurden. Auch die hier durchgeführten Studien einzelner Quellen unterliegen Einschränkungen, die auf den elektromagnetischen Multiwellenlängen-Informationen der jeweiligen Objekte basieren. In all diesen astrophysikalischen Gegebenheiten evaluierten wir die Durchführbarkeit der Teilchenbeschleunigung, berechneten die Energieverteilungen der kosmischen Strahlung, bestimmten ihre maximale Energie und berechneten die erwarteten spektralen Energieverteilungen der nichtthermischen Strahlung. Die in dieser Arbeit erzielten Ergebnisse zeigen die Komplexität der Erzeugung von Teilchen mit ultrahohen Energien unter gewöhnlichen Bedingungen auf, und helfen dabei die Eigenschaften der Beschleuniger der kosmischen Teilchen einzuschränken. Darüber hinaus zeigen wir die Wichtigkeit, die mehrdeutigen Eigenschaften einzelner Objekte, die gleichzeitig als Starbursts und aktive Galaxienkernen klassifiziert werden können, zu entschlüsseln, um den Ursprung der kosmischen Strahlung bei höchsten Energien zu bestimmen. Alles in allem können die in dieser Arbeit entwickelten theoretischen Modelle zur Interpretation der Beobachtungen beitragen, die die nächsten Generationen von Observatorien für verschiedene Wellenlängen und Astroteilchen liefern werden.