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
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