Multi-Messenger Ansatz zur Suche nach den Quellen der kosmischen Strahlung

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr. Karl-Heinz Kampert; Professorin Dr. Julia Tjus
• Fachliche Zuordnung: Astrophysik und Astronomie
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 445990517

Die Identifizierung der Quellen der höchstenergischen kosmischen Strahlung (UHECR) ist eine der wichtigsten offenen Fragen der Hochenergie-Astrophysik. Die Verfügbarkeit qualitativ hochwertiger Daten, vor allem vom Pierre-Auger-Observatorium, hat unser Verständnis des hochenergetischen Universums radikal verändert, ohne jedoch die Quellen der kosmischen Strahlung preiszugeben. Das vorgeschlagene Projekt befasst sich mit dieser Frage und zielt darauf ab, Quellenklassen zu identifizieren, die am besten mit den vorhandenen Beobachtungsdaten (Richtung, Energieverteilung und Primärmasse) korrelieren. Ein Novum unseres Ansatzes ist eine komplette Studie transienter Quellen. Beginnend mit der Modellierung ausgewählter Quellenklassen einschließlich der hadronischen Wechselwirkungen innerhalb der Quelle, bearbeiten wir ebenso die Ausbreitung bis zur Erde bis hin zur Vorhersage von UHECR-Himmelskarten als Funktion der Energie und der Primärmasse.Die betrachteten Quellen müssen hinreichend magnetisiert und räumlich ausgedehnt sein, um Teilchen auf die höchsten beobachteten Energien beschleunigen zu können, was wiederum eine minimale elektromagnetische Leuchtkraft erwarten lässt. Nur wenige Quellen sind überhaupt in der Lage, die erforderliche Leuchtkraft im elektromagnetischen Spektrum über einen längeren Zeitraum aufrechtzuerhalten. Im MICRO-Projekt werden wir daher insbesondere die Hypothese untersuchen, ob burstartige Quellen aus AGN oder Starbursts für die UHECRs verantwortlich sind. Anisotropien von UHECRs auf mittlerer Winkelskala beinhalten Informationen über die Richtung und den Fluss nahegelegener Quellkandidaten relativ zum isotropen Hintergrund aus schwächeren Objekten. Letztere Komponente kann aus Einschränkungen der Helligkeitsfunktionen der Quellenkandidaten als Funktion der Rotverschiebung abgeschätzt werden. Der absolute UHECR-Fluss jeder aufgelösten Quelle selbst wird wiederum relativ zum Fluss des Gesamthimmels bestimmt. Die Komposition der UHECR liefert weitere Hinweise über die Abstandsverteilung der Quellen, da die Energieverlustlängen isotopenabhängig sind. Eine kombinierte Anpassung von transienten Quellenmodellen an die Ankunftsrichtung, Energie- und Massenverteilung würde somit die Richtung, den Abstand und den absoluten Fluss der betrachteten Quellenkandidaten einschränken. Wie erwarten aus MICRO wichtige Antworten auf folgende Leitfragen: (i) Können burst-ähnliche Signaturen (GRBs, AGN-Flares) die verfügbaren UHECR Daten beschreiben? (ii) Können wir die 3D-Verteilung der Quellen aus verfügbaren UHECR-Beobachtungen einschränken? (iii) Können astrophysikalische hochenergetische Neutrinos, z.T. auch hochenergetische Gammastrahlen, aus den gleichen Burst-Quellen stammen?Das MICRO-Konsortium besteht aus vier Institutionen mit erfahrenen PIs. Sie bringen die komplementäre Expertise ein, die erforderlich ist, um die ehrgeizigen Ziele des neuartigen Projekts innerhalb eines Zeitraums von drei Jahren zu erreichen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Partnerorganisation: Agence Nationale de la Recherche / The French National Research Agency
• Kooperationspartnerinnen / Kooperationspartner: Corinne Berat, Ph.D.; Professor Jonathan Biteau, Ph.D.