Extragalaktische Astronomie und Kosmologie
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Peter Schneider Einführung in die Extragalaktische Astronomie und Kosmologie Mit 444 Abbildungen und 10 Tabellen fyA Springer IX Inhaltsverzeichnis i. Einleitung und Überblick 2. Die Galaxis als Galaxie 1.1 Einleitung 1.2 1.2.1 1.2.2 1.2.3 1.2.4 1.2.5 1.2.6 1.2.7 1.2.8 Überblick Unsere Galaxis als Galaxie Die Welt der Galaxien Die Hubble Expansion des Weltalls Aktive und Starburst Galaxien Voids, Galaxienhaufen und Dunkle Materie Weltmodelle und thermische Geschichte des Universums Strukturbildung und Galaxienentwicklung Kosmologie als Triumph des menschlichen Geistes 4 4 6 9 11 13 15 18 1.3 1.3.1 2.3.1 1.3.3 1.3.4 1.3.5 1.3.6 Werkzeuge der extragalaktischen Astronomie Radioteleskope Infrarot-Teleskope Optische Teleskope UV-Teleskope Röntgen-Teleskope Gamma-Teleskope 19 20 24 26 31 32 33 2.1 Galaktische Koordinaten 35 2.2 2.2.1 2.2.2 2.2.3 2.2.4 Entfernungsbestimmungen innerhalb unserer Galaxis .... Trigonometrische Parallaxe Eigenbewegungen Sternstromparallaxe Photometrische Entfernung; Extinktion und Rötung Spektroskopische Entfernung Entfernungen von visuellen Doppelsternen Entfernungen pulsierender Sterne 36 37 38 38 2.2.5 2.2.6 2.2.7 2.3 2.3.1 2.3.2 1 18 40 43 44 44 46 47 2.3.3 2.3.4 2.3.5 2.3.6 2.3.7 Struktur der Galaxis Die Galaktische Scheibe: Sternverteilung Die Galaktische Scheibe: chemische Zusammensetzung und Alter Die Galaktische Scheibe: Staub und Gas Die kosmische Höhenstrahlung Der Galaktische Bulge Der sichtbare Halo Die Entfernung zum Galaktischen Zentrum 2.4 2.4.1 Kinematik der Galaxis Bestimmung der Geschwindigkeit der Sonne 57 57 48 51 53 55 55 56 Inhaltsverzeichnis 3. Die Welt der Galaxien 2.4.2 Die Rotationskurve der Galaxis 60 2.5 2.5.1 2.5.2 2.5.3 2.5.4 Der Galaktische Mikrolinseneffekt: Suche nach kompakter Dunkler Materie Der Gravitationslinseneffekt I Galaktischer Mikrolinseneffekt Surveys und Resultate Variationen und Erweiterungen 65 65 70 73 75 2.6 2.6.1 2.6.2 2.6.3 2.6.4 Das Galaktische Zentrum Wo ist das Galaktische Zentrum? Der zentrale Sternhaufen Schwarzes Loch im Zentrum der Milchstraße Die Eigenbewegung von Sgr A* 78 78 80 81 84 3.1 3.1.1 3.1.2 Klassifikation Morphologische Klassifikation: Die Hubble-Sequenz Andere Arten von Galaxien 88 88 89 3.2 3.2.1 3.2.2 3.2.3 3.2.4 3.2.5 Elliptische Galaxien Unterteilung Helligkeitsprofil Zusammensetzung von Elliptischen Galaxien Dynamik von Elliptischen Galaxien Anzeichen komplexer Entwicklung 90 90 92 93 93 96 3.3 3.3.1 3.3.2 3.3.3 3.3.4 3.3.5 3.3.6 Spiralgalaxien Trends innerhalb der Spiralensequenz Helligkeitsprofil Rotationskurven und Dunkle Materie Stellare Population und Gasgehalt Spiralstruktur Korona von Spiralen? 98 98 98 100 102 103 104 3.4 3.4.1 3.4.2 3.4.3 3.4.4 Skalierungsrelationen Die Tully-Fisher-Relation Die Faber-Jackson-Relation Die Fundamentalebene D„-or-Relation 104 104 107 107 109 3.5 3.5.1 3.5.2 3.5.3 Schwarze Löcher in Zentren von Galaxien Die Suche nach supermassiven Schwarzen Löchern Beispiele für SMBHs in Galaxien Zusammenhang der SMBH-Masse mit Galaxieneigenschaften 109 110 111 113 3.6 3.6.1 3.6.2 3.6.3 Extragalaktische Entfernungsbestimmungen Entfernung zur LMC Die Cepheiden-Entfernung Sekundäre Entfernungsindikatoren 114 115 116 116 3.7 Leuchtkraftfunktion von Galaxien 118 Inhaltsverzeichnis XI 4. Kosmologie I: Homogene isotrope Weltmodelle 3.8 3.8.1 3.8.2 3.8.3 3.8.4 Galaxien als Gravitationslinsen Der Gravitationslinseneffekt - Teil II Einfache Modelle Beispiele für Gravitationslinsen Anwendungen des Linseneffekts 121 121 122 125 129 3.9 3.9.1 3.9.2 3.9.3 3.9.4 3.9.5 3.9.6 3.9.7 Populationssynthese Modellannahmen Entwicklungswege im HRD; integriertes Spektrum Farbentwicklung Sternbildungsgeschichte und Galaxienfarben Metallizität, Staub, und Hn Regionen Zusammenfassung Spektren von Galaxien 131 132 133 134 135 136 137 137 3.10 Chemische Entwicklung von Galaxien 138 4.1 4.1.1 4.1.2 Einleitung und grundlegende Beobachtungen Grundlegende kosmologische Beobachtungen Einfache Schlussfolgerungen 141 142 142 4.2 4.2.1 4.2.2 4.2.3 4.2.4 4.2.5 4.2.6 4.2.7 Ein expandierendes Universum Newtonsche Kosmologie Kinematische Beschreibung Dynamik der Expansion Modifikation durch die ART Die Materiekomponenten des Universums „Herleitung" der Expansionsgleichung Diskussion der Expansionsgleichungen 146 146 146 147 148 150 150 151 4.3 4.3.1 4.3.2 4.3.3 4.3.4 4.3.5 Konsequenzen der Friedmann-Expansion Die Notwendigkeit eines Big Bang Die Rotverschiebung Entfernungen in der Kosmologie Spezialfall: Das Einstein-de-Sitter-Modell Zusammenfassung 153 153 156 158 160 161 4.4 4.4.1 4.4.2 4.4.3 4.4.4 4.4.5 4.4.6 Thermische Geschichte des Universums Expansion in strahlungsdominierter Phase Entkopplung der Neutrinos Paarvernichtung Primordiale Nukleosynthese Rekombination Zusammenfassung 161 162 162 164 164 168 170 4.5 4.5.1 4.5.2 4.5.3 Erfolge und Probleme des Standardmodells Erfolge Probleme des Standardmodells Erweiterung des Standardmodells; Inflation 171 172 172 175 Inhaltsverzeichnis XII 5. Aktive Galaxienkerne 6. Galaxienhaufen und Galaxiengruppen 5.1 5.1.1 5.1.2 5.1.3 5.1.4 Einleitung Kurze Geschichte der AGNs Grundlegende Eigenschaften von Quasaren Quasare als Radioquellen; Synchrotron-Strahlung Breite Emissionslinien 179 179 180 180 184 5.2 5.2.1 5.2.2 5.2.3 5.2.4 5.2.5 Zoologie der AGNs QSOs Seyfert-Galaxien Radiogalaxien OVVs BL Lac-Objekte 185 185 186 186 186 187 5.3 5.3.1 5.3.2 5.3.3 5.3.4 5.3.5 Die zentrale Maschine: ein Schwarzes Loch Warum Schwarzes Loch? Akkretion Superluminal Motion Weitere Argumente für SMBHs Erste Massenabschätzung des SMBH: die Eddington-Leuchtkraft 188 189 189 191 194 5.4 5.4.1 5.4.2 5.4.3 5.4.4 5.4.5 Komponenten eines AGN Das IR, optische und UV-Kontinuum Die breiten Emissionslinien Schmale Emissionslinien Die Röntgenemission Die Host-Galaxie 198 198 200 205 206 206 5.5 5.5.1 5.5.2 5.5.3 5.5.4 Familiäre Beziehungen der AGNs Vereinheitlichungsmodelle Beaming Beaming auf großen Skalen Jets bei höheren Frequenzen 208 208 211 213 213 5.6 5.6.1 5.6.2 5.6.3 AGNs und Kosmologie Die K-Korrektur Die Leuchtkraftfunktion der QSOs Absorptionslinien in Quasaren 217 217 218 220 6.1 6.1.1 6.1.2 6.1.3 Die Lokale Gruppe Phänomenologie Massenabschätzung Weitere Komponenten der Lokalen Gruppe 226 226 227 229 6.2 6.2.1 6.2.2 6.2.3 6.2.4 6.2.5 Galaxien in Haufen und Gruppen DerAbell-Katalog Leuchtkraftverteilung der Haufengalaxien Morphologische Klassifikation von Haufen Räumliche Verteilung der Galaxien Dynamische Masse von Haufen 231 231 233 233 234 236 196 Inhaltsverzeichnis XIII 7. Kosmologie II: Inhomogenitäten im Universum 8. Kosmologie III: Die kosmologischen Parameter 6.2.6 6.2.7 6.2.8 6.2.9 Weitere Bemerkungen zur Haufendynamik Intergalaktische Sterne in Galaxienhaufen Galaxiengruppen Die Morphologie-Dichte-Relation 237 239 240 241 6.3 6.3.1 6.3.2 6.3.3 6.3.4 6.3.5 Röntgenstrahlung von Galaxienhaufen Allgemeine Eigenschaften der Röntgenstrahlung Modelle der Röntgenemission Cooling Flows Der Sunyaev-Zeldovich-Effekt Röntgenkataloge von Haufen 243 244 247 249 253 255 6.4 6.4.1 6.4.2 6.4.3 6.4.4 Skalierungsrelationen von Galaxienhaufen Masse-Temperatur-Beziehung Masse-Geschwindigkeitsdispersion-Beziehung Masse-Leuchtkraft-Beziehung Nah-Infrarot-Leuchtkraft als Massenindikator 257 257 259 259 260 6.5 6.5.1 6.5.2 Galaxienhaufen als Gravitationslinsen Leuchtende Bögen (Ares) Der Schwache Linseneffekt 261 261 265 6.6 Entwicklungseffekte 271 7.1 Einleitung 277 7.2 7.2.1 7.2.2 Gravitative Instabilität Überblick Lineare Störungstheorie 278 278 279 7.3 7.3.1 7.3.2 Beschreibung der Dichtefluktuationen Korrelationsfunktionen Das Leistungsspektrum 282 283 285 7.4 7.4.1 7.4.2 Entwicklung der Dichtefluktuationen Das anfängliche Leistungsspektrum Anwachsen der Dichtestörungen 285 285 286 7.5 7.5.1 7.5.2 7.5.3 7.5.4 7.5.5 Nichtlineare Strukturbildung Modell des sphärischen Kollaps Anzahldichte von Halos Dunkler Materie Numerische Simulationen Profil von Halos Dunkler Materie Das Problem der SubStruktur 289 290 291 294 299 303 7.6 Pekuliargeschwindigkeiten 306 7.7 Der Ursprung der Dichtefluktuationen 308 8.1 8.1.1 8.1.2 Rotverschiebungssurveys von Galaxien Einleitung Rotverschiebungssurveys 312 312 312 Inhaltsverzeichnis XIV 9. Das Universum > bei hoher Rotverschiebung r >, 8.1.3 8.1.4 8.1.5 8.1.6 Bestimmung des Leistungsspektrums Einfluss von Pekuliargeschwindigkeiten Winkelkorrelationen von Galaxien Kosmische Pekuliargeschwindigkeiten 315 318 320 321 8.2 8.2.1 8.2.2 8.2.3 8.2.4 Kosmologische Parameter aus Galaxienhaufen Anzahldichte Masse-zu-Leuchtkraft-Verhältnis Baryonenanteil Die LSS der Galaxienhaufen 323 323 324 325 325 8.3 8.3.1 8.3.2 8.3.3 8.3.4 Supernovae hoher Rotverschiebung und die kosmologische Konstante Sind SNIa Standardkerzen? Beobachtungen von SN Ia bei hohen Rotverschiebungen Resultate Diskussion 326 326 327 328 329 8.4 Kosmische Scherung 331 8.5 8.5.1 8.5.2 8.5.3 8.5.4 Ursprung des Lymana-Waldes Das homogene intergalaktische Medium Phänomenologie des Lya-Waldes Modelle des Lya-Waldes Der Lya-Wald als kosmologisches Werkzeug 333 333 334 335 337 8.6 8.6.1 8.6.2 8.6.3 8.6.4 8.6.5 Winkelfluktuationen des CMB Ursprung der Anisotropie: Überblick Beschreibung der CMB-Anisotropie Das Fluktuationsspektrum Beobachtungen der CMB-Anisotropie WMAP: Präzisionsmessungen der CMB-Anisotropie 338 338 340 341 344 347 8.7 8.7.1 8.7.2 Kosmologische Parameter Kosmologische Parameter mit WMAP Kosmische Harmonie 351 351 354 9.1 9.1.1 9.1.2 9.1.3 9.1.4 Galaxien bei hoher Rotverschiebung Lyman-Break-Galaxien (LBGs) Photometrische Rotverschiebungen Hubble Deep Field(s) Natürliche Teleskope 358 358 362 364 366 9.2 9.2.1 9.2.2 9.2.3 Neue Typen von Galaxien Starburst-Galaxien Extremely Red Objects (EROs) Submillimeter-Quellen: Blick durch dicken Staub 369 369 371 374 9.3 9.3.1 9.3.2 Hintergrundstrahlung bei kleineren Wellenlängen Der IR-Hintergrund Der Röntgenhintergrund 376 377 378 Inhaltsverzeichnis XV 9.4 «. 9.4.1 9.4.2 Die Reionisation des Universums Die ersten Sterne Der Reionisationsprozess 379 380 382 Die kosmische Geschichte der Sternentstehung Indikatoren für Sternentstehung Rotverschiebungsabhängigkeit der Sternentstehung: Das Madau-Diagramm 384 384 9.6 9.6.1 9.6.2 9.6.3 Galaxienentstehung und Entwicklung Erwartungen aus der Strukturbildung Die Bildung von Ellipsen Semi-analytische Modelle 387 387 388 391 9.7 Gamma-Ray Bursts 396 9.5 9.5.1 9.5.2 io. Ausblicke 386 401 Anhang A. Das elektromagnetische * B. Eigenschaften A.1 Die Größen des Strahlungsfeldes 411 A.2 Strahlungstransport 411 A3 Schwarzkörper-Strahlung 412 A.4 A.4.1 A.4.2 A.4.3 A.4.4 Das Magnitudensystem Scheinbare Helligkeit Filter und Farben Absolute Helligkeit Bolometrische Größen 414 414 414 416 416 B.l Zustandsgrößen der Sterne von Sternen ^ B.2 B.3 •* •• • » . u Spektralklasse, Leuchtkraftklasse und das Hertzsprung-Russell-Diagramm 419 Struktur und Entwicklung von Sternen 421 C. Einheiten und Konstanten D. Literaturempfehlungen 419 «.,, 425 D.l Allgemeine Lehrbücher 427 D.2 Speziellere Literatur 427 D.3 Übersichtsartikel, Aktuelle Literatur und Journale 428 f E. Benutzte Akronyme 431 F. Quellennachweis der Abbildungen 435 Sachverzeichnis 447
