Identifizierung von Quellen kosmischer Strahlung mit Jets

Kosmische Strahlung (CR) besteht aus extrem energetischen, zumeist geladenen Teilchen kosmischen Ursprungs. Die Identität der Quellen der CR ist bis heute ungeklärt. Ziel dieses Projekts ist es, mit Hilfe einer dediziert entwickelten Methodik zur Identifizierung der Quellen der ultrahochenergetischsten (UHE, =10 EeV) beizutragen. Die jüngsten Meßergebnisse favorisieren konventionelle Produktionsmechanismen der UHECR in astro- physikalischen Quellen. Materiejets gewaltiger aktiver galaktischer Kerne (AGN) liefern adequate Be- dingungen und Energien für die Beschleunigung geladener Teilchen zu UHE, und werden deshalb als bei- tragende Quellen zum beobachteten UHECR-Fluß betrachtet. Hadronische Wechelwirkungen während der CR-Beschleunigung produzieren Photonen und Neutrinos. Diese neutralen Botschafter (messenger) liefern Informationen über die Quellenrichtung am Himmel und die physikalischen Gegebenheiten am Ort der CR-Beschleunigung, während geladene CR durch Deflektionen an kosmischen Magnetfeldern ihre Richtungsinformation verlieren. Um Aufschluß über die Quellen der UHECR und den dominierenden Be- schleunigungs- und Emissionsmechanismen am Quellort zu gewinnen, wählen wir deshalb einen multi- messenger, Multifrequenz-Zugang, welcher die kombinierte Analyse der am Auger Observatory ge- messenen UHECR-Ereignissen, die vom Fermi-LAT Detektor und erdgebundenen Cherenkov- Teleskopen gesammelten hoch- (HE, =100MeV) und sehr hoch-energetischen (VHE, =30GeV) Photonen, und die vom IceCube Experiment beobachteten VHE-Neutrinos beinhaltet. In einem Mehrstufenplan werden zunächst alle nahen AGN nach ihrem Potential, Teilchen zu extremen Energie beschleunigen zu können, klassifiziert. Hierzu benutzen wir Quellleistungen und Multifrequenz- messungen ihrer Strahlung. Auger-Daten indizieren eine höhere Häufigkeit von schweren CR-Kernen bei hohen Energien. Entsprechend wird das österreichische Projektteam ihr AGN-Emissionsmodell erweitern, um Transport von schweren Kernen behandeln zu können. Die resultierende UHECR-Kandidatquellen- liste ist Ausgangspunkt für nachfolgende Propagationsrechnungen (ausgeführt vom slowenischen Projekt- partner), welche für verschiedene kosmische Magnetfeldkonfigurationen die möglichen Richtungsmuster der UHECRs am Ort der Erde ergeben. Eine Korrelationsanalyse mit Auger-Daten folgt. Komplementär dazu werden die erwarteten Signaturen ihrer produzierten Photonen- und Neutrinoemission in Korrelation mit LAT- und Neutrinodatensätzen analysiert. Das Resultat dieser Studien wird charakteristische Photon- signaturen von UHECR in AGN-Jets erkennen lassen, mit überprüfbaren Voraussagen für das zukünftige Cherenkov Telescope Array (CTA). Die kombinierte Expertise der Projektteams wird mit ihren Resultaten zur Enträtselung des Quellen- ursprungs der kosmischen Strahlung beitragen, und CTA-Beobachtungsstrategien optimieren können.

Der Ursprung der auf die Erde auftreffenden Teilchen der kosmischen Strahlung, insbesondere derjenigen mit extremen Energien, ist bislang weitgehend ungeklärt. Jets aktiver galaktischer Kerne (AGN) gelten als Hauptkandidatenquellen, welche zum beobachteten Fluss kosmischer Strahlung (CRs), der bis in den Bereich ultrahoher Energie (UHE, >10 EeV) reicht, beitragen könnten. Durch einen "multi-messenger"-Multi-Wellenlängen-Ansatz trug das vorliegende österreichisch-slowenische Projekt dazu bei, AGN, welche eine geringe Leuchtkraft aufweisen, als mögliche UHECR-Quellen zu bewerten. Besonderer Fokus lag auf die kürzlich entdeckten Fanaroff-Riley 0 (FR0)-Galaxien, die im lokalen Universum am häufigsten vorkommenden persistenten Jet-Quellen. Zu diesem Zweck haben wir hochmoderne Simulationssoftware entwickelt, die einerseits die Propagation von Photonen und Teilchen der kosmischen Strahlung sowie die zugehörige Produktion von "multi-messengers" innerhalb von Jets und Jet-Akkretionsscheiben-Systemen von AGN modellieren, und andererseits UHE-Kerne und sekundäre kosmogene Photonen und Neutrinos von FR0-Galaxien zur Erde durch intergalaktische Umgebungen propagieren. Beide Simulationsketten wurden verwendet, um das Überleben, die Funktionsweise und die "multi-messenger"-Signaturen von UHECRs in diesen Umgebungen zu bewerten, und die aus den Simulationen resultierenden, auf der Erde beobachtbaren Energiespektren und CR-Kompositionen mit der aktuellen Beobachtungssituation zu vergleichen. Mit diesen Werkzeugen und einer kombinierten Analyse von Breitbandphotonen- und CR-Daten des Pierre-Auger Observatoriums (PAO) haben wir FR0-Galaxien als realistische und möglicherweise zum CR-Fluss bis zu Energien von mehreren EeV signifikant beitragende Quellen, und als "multi-messenger"-Emitter bewertet. Unsere Modellierung impliziert eine protonendominierte Zusammensetzung der von der Quelle entweichten CRs, während innerhalb der Quelle geladene Teilchen überleben, und bevorzugt durch graduelle Scherbeschleunigung innerhalb strukturierter, leicht-relativistischer Jets Energie bis zu mehreren 10 EeV gewinnen könnten. Wenn CR-Protonen in Jets von FR0-Galaxien auf EeV-Energien beschleunigt werden, sagt unsere "multi-messenger"-Modellierung darüber hinaus voraus, dass FR0s schwache >VHE-Neutrino-Emitter sind, ein extrem schwacher Photonenfluss von dieser Quellklasse im Energiebereich, der für das Cherenkov Telescope Array (CTA) zugänglich ist, erwartet wird, sowie potenziell detektierbare, charakteristische spektrale Signaturen bei MeV-Photonenergien aus der Kernregion (mit Akkretionsfluss) von FR0s. Die hohe Vorhersagekraft unserer Modellierungsergebnisse ermöglicht in naher Zukunft Beobachtungstests der UHECR-Hypothese von FR0s, und motiviert die Entwicklung hadronischer, nichtthermischer AGN-Emissionsmodelle, die Jetstrukturen berücksichtigen.