Anisotropie kosmischer Strahlung und interstellare Spektren

In jüngerer Zeit haben verschiedene Messungen mit terrestrischen und weltraumgestützten Detektoren die astrophysikalische Relevanz eines korrekten Verständnisses der äußeren Heliosphäre offenbart. Die für das beantragte Projekt wichtigsten Beobachtungen betreffen die äußere Grenze der Heliosphäre. Erstens wird mit den Voyager-Raumsonden kontinuierlich die Bestimmung von lokalen interstellaren Energiespektren der kosmischen Strahlung verbessert. Zweitens haben die Voyagers und insbesondere die IBEX-Mission unser quantitatives Wissen über das die Heliosphäre umgebende interstellare Magnetfeld, Plasma und Neutralgas verbessert. Beides hat zu einem verbesserten Verständnis der Modulation der kosmischen Strahlung beigetragen. Drittens hat die Hypothese, dass die beobachtete Anisotropie der kosmischen Strahlung im niedrigen TeV-Bereich durch die heliosphärische Struktur bedingt ist, neue Unterstützung sowohl durch Messungen mit mehreren terrestrischen Teilchendetektoren und -teleskopen als auch durch neue theoretische Überlegungen erhalten, zum Beispiel zur Magnetfeldrekonnektion im heliosphärischen Schweif. Um über die verschiedenen Vorschläge zur korrekten Beschreibung der Physik der äußeren Heliosphäre und ihre astrophysikalische Relevanz entscheiden zu können, werden wir quantitative Modelle entwickeln, die der großräumigen Struktur der Heliosphäre und ihrer interstellaren Umgebung Rechnung tragen und insbesondere explizit die so genannten Helioschicht und den heliosphärischen Schweif enthalten. Dementsprechend sind die Projektziele wie folgt definiert: Wir werden unsere bisherige Modellierung der in das lokale interstellare Medium eingebetteten globalen Heliosphäre derart erweitern, dass Magnetfelder selbstkonsistent berücksichtigt werden, insbesondere mit Hinsicht auf den stark elongierten heliosphärischen Schweif. Wir werden den entsprechenden Fluss der kosmischen Strahlung durch Lösung sowohl der Transportgleichung als auch der Bewegungsgleichung dieser Teilchen insbesondere im niedrigen TeV-Bereich untersuchen. Für diese Anwendungen werden wir neue, so genannte logisch-rechteckige Gitter in die heliosphärische Modellierung einführen, da die bisher verwendeten einige deutliche Nachteile aufweisen. Diese neuartigen Gitter haben die Vorteile, lokal an unsere Problemgeometrie angepasst werden zu können, Koordinatensingularitäten sowie stark differierende Zellgrößen zu vermeiden. Die Projektergebnisse werden in einer Modellierung unserer direkten astrophysikalischen Umgebung bestehen, die erstmals eine quantitative Interpretation potentieller heliosphärischer Signaturen in astrophysikalischen Beobachtungen ermöglicht.

Die sogenannte Heliosphäre ist ein Bereich um die Sonne, aus dem der Sonnenwind eine überschallschnelle Plasmaströmung von der Sonne das Gas des interstellaren Mediums herausdrangen kann. In diesem Projekt haben wir im Wesentlichen die Physik der äußeren Heliosphäre und ihrer interstellaren Umgebung untersucht. Dabei lag der Fokus auf zwei Aspekten: einerseits der dynamischen Bewegung der beteiligten Gase und andererseits dem Transport energiereicher Teilchen. Die Gasdynamik betreffend haben wir im Rahmen des Projekts sowohl analytische wie auch computergestützte Modelle zur Beschreibung der großskaligen Struktur entwickelt. Dort war es insbesondere wichtig, die Wechselwirkung verschiedener Gasphasen wie dem interstellaren Neutralgas und dem ionisierten Sonnen- wind korrekt zu modellieren. Dafür haben wir einerseits die relevanten numerischen Modelle und andererseits die physikalische Beschreibung erarbeitet und die Konsequenzen untersucht. Zum Beispiel haben wir dabei neue Erkenntnisse zur Frage der Existenz einer interstellaren Bugstoßwelle außerhalb der Heliosphäre gewonnen. Die entwickelten numerischen Modelle haben wir zudem benutzt, um einerseits im Rahmen des Projekts neu abgeleitete analytische Modelle für die Form der Heliosphäre zu verifizieren und um andererseits die Dynamik des Sonnenwinds inklusive zugehöriger Stoßwellen und Turbulenz innerhalb der Heliosphäre zu untersuchen. Bei den numerischen Arbeiten haben wir zudem aktuelle Entwicklungen in der Darstellung der numerischen Gitter berücksichtigt, die uns in Zukunft erlauben werden, ein Gitter zu benutzen, das sehr gut an die physikalischen Problemstellung angepasst werden kann. Die Modellierung des Teilchentransport konzentrierte sich auf die äußersten Bereiche der Heliosphäre. So haben wir im Rahmen des Projekts Arbeiten zur Veränderung der Verteilungsfunktion dieser Teilchen in diesem Raumbereich durchgeführt. Dabei haben wir nicht nur eine mögliche Abschwächung der von außen eindringenden kosmischen Strahlung gefunden, sondern auch damit zusammenhangende mögliche Anisotropien der Teilchenverteilungsfunktionen untersucht.