Die Fakultät für Physik und Astronomie freut sich, bekannt zu geben, dass der Dissertationspreis für das Jahr 2025, gestiftet durch die Wilhelm und Else Heraeus-Stiftung, an Dr. Sophie Aerdker verliehen wird. Die Astrophysikerin hat in der Gruppe von Prof. Julia Tjus zum Thema „Transport of Cosmic Rays Between Galactic and Extragalactic Origin – Brownian Motion and Lévy Flight Models of Shock Acceleration“ promoviert. Sie wird im Rahmen der Akademischen Jahresfeier am 3. Juli 2026 einen Vortrag über ihre Forschung halten und die Urkunde erhalten.
Der Ursprung Kosmischer Strahlung
In der preisgekrönten Arbeit geht es um den Transport Kosmischer Strahlung. Das sind hochenergetische geladene Teilchen, die aus dem Weltall zur Erde gelangen. Obwohl die kosmische Strahlung erstmalig bereits 1912 entdeckt wurde, ist ihr Ursprung noch nicht vollständig geklärt. Die meisten dieser Teilchen stammen aus unserer Milchstraße, während andere aufgrund ihrer hohen Energie – ein vielfaches dessen, was in Teilchenbeschleunigern auf der Erde erreicht werden kann – eindeutig extragalaktischen Ursprungs sind. In ihrer Dissertation untersucht Aerdker, wie diese Teilchen beschleunigt werden und von ihren Quellen bis zu uns transportiert werden. Sie konzentriert sich dabei auf den Übergang zwischen den Teilchen, die in unserer Galaxie entstehen, und denen, die uns aus fernen Galaxien erreichen.
Teilchen als Schockwellen-Surfer
Ein wichtiger Prozess, den sie erforscht, ist die Diffusive Schock Beschleunigung oder auch Fermi Beschleunigung. Das ist die Beschleunigung der Teilchen an Schockwellen, die entstehen, wenn sich das Plasma mit entsprechend hoher Geschwindigkeit ausbreitet. Eine Analogie in unserer Atmosphäre ist der Überschallknall eines Jets. An astrophysikalischen Schocks gewinnen Teilchen Energie, jedes mal wenn sie diesen überschreiten. In ihrer Arbeit modelliert Aerdker diesen Prozess mithilfe von stochastischen Differentialgleichungen. Mit dieser Methode lässt sich die Verteilung der Teilchen im Ort und in ihrer Energie effizient bestimmen.
Simulation der Bewegung Kosmischer Strahlung
Dieses Modell der Schockbeschleunigung wurde erstmals in der Open-Source-Software CRPropa, einem Tool, mit dem man die Ausbreitung und Wechselwirkung extraterrestrischer hochenergetischer Teilchen simulieren kann, implementiert und gründlich getestet. Aerdker untersucht damit zwei mögliche Quellen für kosmische Strahlung: Erstens, die Wiederbeschleunigung von Teilchen an einem Galaktischen Terminationsshock. Das ist eine Schockwelle, die entstehen kann, wenn ein Galaktischer Wind auf das intergalaktische Medium, das die Räume zwischen den Galaxien füllt, trifft. Zweitens, die Beschleunigung von Teilchen im Galaktischen Halo, einer Art Atmosphäre unserer Milchstraße. Angetrieben durch lokale Ausbrüche in sternbildenden Regionen kann sich dort eine komplexe und dynamische Landschaft von Schocks entwicklen.
Interdisziplinäre Forschung für ein besseres Verständnis des Universums
Aerdkers Arbeit verbindet verschiedene Forschungsgebiete der Teilchenphysik, Astronomie und Plasmaphysik miteinander und ist im Sonderforschungsbereich SFB1491 entstanden. Die Kombination aus theoretischer Modellierung und computergestützter Simulation ermöglicht es, den Ursprung der kosmischen Strahlung und ihrer Beschleunigungsprozesse besser zu verstehen. „Die Erforschung Kosmischer Strahlung ist wie das Lösen eines komplexen Puzzles,“ erklärt Aerdker. „Jedes neue Verständnis eines Teils bringt uns ein Stück näher an das Gesamtbild unseres Universums. Ich freue mich sehr über diese Auszeichnung.“ Die Fakultät gratuliert Aerdker herzlich zu ihrer erfolgreichen Dissertation.
Foto: © RUB, Marquard