Einführung in die Extragalaktische Astronomie und - Beck-Shop

Einführung in die Extragalaktische Astronomie und Kosmologie
Bearbeitet von
Peter Schneider
1. Aufl. 2005. Korr. Nachdruck 2008. Buch. xv, 452 S. Hardcover
ISBN 978 3 540 25832 2
Format (B x L): 20,3 x 27,6 cm
Gewicht: 1329 g
Weitere Fachgebiete > Physik, Astronomie > Astronomie: Allgemeines > Kosmologie,
Urknalltheorie
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IX
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung und Überblick
2. Die Galaxis als Galaxie
1.1
Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1
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
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 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
Bestimmung der Geschwindigkeit der Sonne . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
2.2.5
2.2.6
2.2.7
2.3
2.3.1
2.3.2
18
40
43
44
44
48
51
53
55
55
56
Inhaltsverzeichnis
X
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 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
Morphologische Klassifikation: Die Hubble-Sequenz . . . . . . . . 88
Andere Arten von Galaxien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 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 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Dn –σ-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
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
113
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 HII 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 . . . . . . . . . . . . . . 141
Grundlegende kosmologische Beobachtungen . . . . . . . . . . . . . . . . 142
Einfache Schlussfolgerungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 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 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Der Abell-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 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261
Leuchtende Bögen (Arcs) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261
Der Schwache Linseneffekt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265
6.6
Entwicklungseffekte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271
7.1
Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277
7.2
7.2.1
7.2.2
Gravitative Instabilität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278
Überblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278
Lineare Störungstheorie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279
7.3
7.3.1
7.3.2
Beschreibung der Dichtefluktuationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282
Korrelationsfunktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283
Das Leistungsspektrum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285
7.4
7.4.1
7.4.2
Entwicklung der Dichtefluktuationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285
Das anfängliche Leistungsspektrum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285
Anwachsen der Dichtestörungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 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 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.6
Pekuliargeschwindigkeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306
7.7
Der Ursprung der Dichtefluktuationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308
8.1
8.1.1
8.1.2
Rotverschiebungssurveys von Galaxien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312
Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312
Rotverschiebungssurveys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312
289
290
291
294
299
303
Inhaltsverzeichnis
XIV
9. Das Universum
bei hoher
Rotverschiebung
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 SN Ia 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 Lymanα-Waldes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Das homogene intergalaktische Medium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Phänomenologie des Lyα-Waldes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Modelle des Lyα-Waldes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Der Lyα-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 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351
Kosmologische Parameter mit WMAP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351
Kosmische Harmonie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 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 . . . . . . . . 376
Der IR-Hintergrund . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 377
Der Röntgenhintergrund . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 378
Inhaltsverzeichnis
XV
9.4
9.4.1
9.4.2
Die Reionisation des Universums . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 379
Die ersten Sterne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 380
Der Reionisationsprozess . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 382
9.5
9.5.1
9.5.2
Die kosmische Geschichte der Sternentstehung . . . . . . . . . . . . 384
Indikatoren für Sternentstehung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 384
Rotverschiebungsabhängigkeit der Sternentstehung:
Das Madau-Diagramm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 386
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 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.7
Gamma-Ray Bursts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 396
387
387
388
391
10. Ausblicke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 401
Anhang
A. Das elektromagnetische
Strahlungsfeld
B. Eigenschaften
von Sternen
A.1
Die Größen des Strahlungsfeldes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 411
A.2
Strahlungstransport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 411
A.3
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 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
B.1
Zustandsgrößen der Sterne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 419
B.2
Spektralklasse, Leuchtkraftklasse
und das Hertzsprung–Russell-Diagramm . . . . . . . . . . . . . . . . . . 419
B.3
Struktur und Entwicklung von Sternen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 421
414
414
414
416
416
C. Einheiten und Konstanten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 425
D. Literaturempfehlungen
D.1
Allgemeine Lehrbücher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 427
D.2
Speziellere Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 427
D.3
Übersichtsartikel, Aktuelle Literatur und Journale . . . . . . . 428
E. Benutzte Akronyme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 431
F. Quellennachweis der Abbildungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 435
Sachverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 447