Galaxien – Bausteine des Universums
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Galaxien – Bausteine des Universums Max Camenzind Senioren-Universität Würzburg 01-12-09 Zur Erinnerung … • Die Griechen legten Fundament zu astrophysikalischen Modellen geozentrisches Modell des Ptolemäus. wurde in der Renaissance revidiert zu heliozentrischem Modell dauerte dann nochmals 300 Jahre bis zum heutigen Univ. • Galileo Galilei verwendete zum ersten Male Teleskope um 1609 Sidereus Nuncius. • 1609 formulierte Kepler auch seine Gesetze zum Verständnis der Planetenbewegung aufgrund der Daten von Tycho Brahe. Grundfrage vor 100 Jahren: Was sind Spiral-Nebel? Übersicht • Spiral-Nebel und die Große Debatte von 1920. • Hammer-Aitoff Projektion in Astronomie • Unsere Milchstraße – in verschiedenen Wellenlängen, Struktur, Komponenten, Sterne und Gas, Rotation und Dunkle Materie, Spiralarme • Das Galaktische Zentrum: Sag A* • Andromeda – unsere Schwester-Galaxie • Wir sind Teil des Virgohaufens • Hubble Klassifikation der Galaxien • Galaxienzentren beherbergen Schwarze Löcher • Galaxien mit aktiven Kernen: Quasare … Komet Hale-Bopp 29.3.1997 • In großer Entfernung von der Sonne bestehen Kometen nur aus dem Kern, der im wesentlichen aus zu Glas erstarrtem Wasser, Trockeneis, CO-Eis, Methan und Ammoniak („Schnee-ball“) mit Beimen-gungen aus meteoriten-ähnlichen kleinen Staub- und Mineralien-teilchen besteht. Der Komet Halley (1705-1758) Kometen – sich bewegende Nebel, von Halley erklärt März 1986 Kometen bewegen sich auf lang gestreckten Ellipsen Warum zeigt der Schweif immer von der Sonne weg? 1764 – 1782 Nicht alle ausgedehnten „Nebel“ sind Kometen Der Messier Katalog M31 M51 M82 M82 M104 Messier Katalog, 1781 HST Aufnahme Supernova-Überrest 1054 Messier 1 Der Krebs-Nebel Aktuell …Krebsnebel Messier 1 Blau: Chandra; Rot: HST; Gelb: Spitzer M 51 Ringnebel Planetarischer Nebel Weißer Zwerg Unsere Sonne wird sich in 6 Mia. Jahren zu WZ entwickeln. 100.000 Sterne Messier 15 Kugelsternhaufen Messier 50 Offener Sternhaufen HST Aufnahme Molekülwolke Messier 42 Der Orion-Flammen-Nebel Messier 101 „Spiral-Nebel“ Messier 40 Doppelstern kein Nebel! Planeten - Sterne - Nebel • Nachdem sich Astronomen lange Zeit nur mit Planeten beschäftigt hatten, wandten sie sich den Sternen zu. Sie wurden als sonnenähnliche Gebilde verstanden. • J. Flamsteed (1646 -1719), “first Astronomer Royal”, katalogisierte 3000 Sterne mittels Sextanten. • W. Herschel (1738 -1822) erweiterte den Katalog und fand die ersten “Doppel-Sterne” – untersuchte ihre Bewegung. Mittels Newtonscher Gesetze wurde auf Sonnen getippt. • Er löste mit dem 58”-Teleskop die Milchstraße in Sterne auf und schätzte die Ausdehnung der Galaktischen Scheibe ab, dies bestätigte die Spekulation (1750) von Thomas Wright. • Hershel katalogisierte ebenfalls sog. Nebel, aufgrund des Messier Kataologs von 1781, der noch heute in Gebrauch. • E. Kant spekulierte bereits, dass Nebel andere Galaxien sind. William und Caroline Herschel (1738 -1822) (1750 - 1848) W. Herschel: Erste Abshätzung der Größe der Milchstraße Durchmesser = 150 * Sonne - Sirius Distanz = 400 Parsec 400 Parsec Astrofotografie ab 1850 NGC Galaxien John Louis Emil Dreyer (1852-1926). Direktor des Armagh Observatoriums von 1882-1916. NGC enthält Positionen und Helligkeit von 7840 Nebeln The Armagh Observatory is a modern astronomical research institute with a rich heritage. Founded in 1790 by Archbishop Richard Robinson, the Observatory is one of the UK and Ireland's leading scientific research establishments. Max Wolf 1900 / Königstuhl Heidelberg Photoplatte Bruce Refraktor der LSW Königstuhl (1898) Was Was sind sind “Spiral-Nebel”? “Spiral-Nebel”? • • • Historisch als Nebel im Messier und NGC Katalog aufgetaucht Eine gewaltige Ansammlung von Sternen und Gas außerhalb unserer eigenen Milchstraße (früher als Spiralnebel bezeichnet). Mindestens 100 Millionen bis zu 100 Mia. von Sternen – Enthalten auch Gas und Staub, sowie Dunkle Materie • Existieren in verschiedenen Formen: Scheiben, elliptisch, oder auch irregulär; Kugelsternhaufen sind jedoch immer rund Image at http://hubblesite.org/newscenter/archive/releases/galaxy/spiral/2007/41/results/50/ The „Great Debate“ 1920 „Die grosse Debatte“ 26.04.1920 Ist Andromeda galaktisch oder extragalaktisch? Protagonisten: Harold Shapley Heber Curtis • Die Shapley-Curtis-Debatte, auch bekannt als Die Große Debatte (The Great Debate) bündelt die Diskussionen am Anfang des 20. Jahrhunderts, die schließlich zu einem neuen Verständnis der Natur von Galaxien und der Größe des Universums führten. • Die Diskussion zwischen den Astronomen Harlow Shapley und Heber Curtis fand am 26. April 1920 im Baird-Auditorium des National Museum of Natural History in Washington statt. Sie kreiste um die Größe unserer Milchstraße und die Frage, ob die damals als Spiralnebel bekannten Galaxien kleine Objekte in unserer Milchstraße oder sehr viel weiter entfernt und von der Milchstraße getrennt sind. Die Shapley-Curtis Debatte (1920) Curtis Shapley Spiral-Nebel Galaxis Galaxis Die Debatte ergab kein brauchbares Ergebnis! “Questions in science are not resolved by debates, but by observations & experiments” Henrietta Leavitt (1868-1921) entdeckte die Cepheiden Periode-Leuchtkraft (PL) Relation (1912) Lichtkurve eines Cepheiden Große & Kleine Magellansche Wolken Periode versus Magnitude von Cepheiden in SMC Absolute Magnitude - Distanzmodul S c heinba re M a g nitude m gibt an, wie hell ein Stern dem Beobachter auf der Erde erscheint. Energiefluss f, der auf der Erde ankommt, hängt von der intrinsischen Helligkeit und der Entfernung des Sterns ab. D 2 f = F d A bs o lute M a g nitude M ist die scheinbare Magnitude m bei einer vorgegeben Entfernung von 10 pc f m − M = −2, 5 l o g1 0 F StandardKerze d = 5 l o g 1 0p c 1923 - Hubble misst die Distanz zu M 31 mittels Cepheiden Hubble entdeckt Cepheiden in M 31 Debatte gelöst! 100-inch Hooker Telescope, Mt. Wilson Edwin Hubble Hubble findet die Lösung 1923: Andromeda-Nebel nicht galaktisch 1923 untersuchte Edwin Hubble photographische Platten des Andromeda Nebels, die mit dem 100-Zoll Teleskop aufgenommen, um Novae zu finden – Sterne, die plötzlich ihre Helligkeit ändern. Am 5. Oktober 1923 lokalisierte Huble 3 Novae, jede mit einem “N” gekennzeichnet. Eine dieser Novae erwies sich jedoch als Cepheiden Variable. Das “N” wurde durchgestrichen und Hubble bezeichnete den Stern als “VAR”! Diese Cepheide, und viele andere in der Andromeda entdeckt erlaubten es Hubble zu beweisen, dass Nebel nicht Sterne innerhalb unserer Milchstraße sind, sondern dass es sich dabei um Galaxien handelt, die mehr als eine Million Lichtjahre von uns entfernt sind. Damit war die “Große Debatte” beendet! Darstellung des Himmels • Der Sternenhimmel und die Galaxien bewegen sich scheinbar mit der Erdrotation. • Schon die Griechen haben die Fixsterne auf ein Kugel projiziert Himmelsgloben. • Sie dachten, Sterne hängen an einer Kristallsphäre. • Wir projizieren noch heute die Objekte unabhängig von ihrer Distanz auf eine Kugel! Sterne bewegen sich um den Nordpol Sterne bewegen sich um den Südpol (Gemini Observatory, Chile) Fixsternhimmel rotiert nicht, die Erde dreht sich Die Erde ist ein Kreisel Präzession Periode: 25.800 Jahre Die Präzession ergibt sich aus dem Rotationsverhalten der Erde. Die Erde ist infolge ihrer Drehung abgeplattet und besitzt am Äquator dementsprechend einen Wulst. Außerdem steht die Erdachse unter einem Winkel von 23,5 Grad schräg, relativ zur Senkrechten auf der Ekliptik. KristallSphären des Aristoteles Himmelsglobus 1673 Ferdinand Verbiest angefertigt für den Chinesischen Kaiser Himmelssphären Fixsterne äußerste Sphäre Fixsternsphäre Sternbilder des Südhimmels, Darstellung von 1661 Darstellung des Himmels • Problem: Wie projiziere ich die Himmelssphäre auf ein Blatt Papier? • s. Problem Geografie: Wie projiziere ich die Erdkugel(oberfläche) auf ein Blatt Papier? • Die Hammer-Aitov-Projektion (auch HammerAitoff-Projektion genannt) ist eine flächentreue Kartenprojektion, welche die gesamte Erdoberfläche als Ellipse darstellt. • Es gibt eine Menge alternativer Darstellungen. Wie projiziere ich die Erdkugel auf Blatt Papier? Äquator und Mittelmeridian werden maßstabsgetreu und als Gerade wiedergegeben, mit zunehmender Entfernung von diesen nimmt aber auch die Verzerrung sehr stark zu. Üblicherweise ist der Nullmeridian (von Greenwich) der Mittelmeridian. Aitoff Projektion der Erde Galaktische Koordinaten Länge Breite Unsere Milchstraße Unsere Milchstraße 2MASS 2 µ AllSky Survey Milchstraße in Galaktischen Koord IRAS Staubverteilung All-Sky Image 408 Mhz 1,69x10-6 eV, 73,5 cm Diffuse radio emission is a tracer of relativistic electrons in a field. Compact sources can be compact synchrotron sources or self-absorbed bremsstrahlung as in an HII region. Most thermal sources (such as dust reprocessors of starlight) are at higher energies. The ridge of emission above the compact sources in the thick disk is thought to be primarily cosmic ray electron synchrotron emission. The prominent North polar spur could be the projected shell of a nearby recent supernova. 1,5 Mio Galaxien – 2MASS Farbcodierung: Distanz der Galaxien Gamma-Himmel 100 MeV – 100 GeV Unsere Unsere Galaxis: Galaxis: Milchstraße Milchstraße • Enthält etwa 200 Milliarden Sterne und sehr viel Gas und Staub; • ist eine Balken-Spirale; • ~ 100,000 Lichtjahre im Durchmesser; • Die Sonne bewegt sich im Abstand von 8 kpc vom Zentrum, mit einer Geschwindigkeit von 220 km/s; • Das Sonnensystem bewegt sich deshalb in 180 Millionen Jahren um das Zentrum. Unsere nächsten Nachbarn (αCentauri A+B, Prox Cen) ~ 4 Lichtjahre Die Sonne: Ein ganz gewöhnlicher Stern Die Erde 1,4 Mio. Kilometer Abstand Erde-Mond Unsere Umgebung zerfällt in Blasen Sternenhimmel im Teleskop Sterne haben Farben Sterne haben Farben (Temperatur) Klasse O B A F G K M L Temperatur 30.000 K 20.000 K 10.000 K 8.000 K 6.000 K 4.000 K 3.000 K 2.000 K Farbe blau bläulich weiß weiß gelb orange rot braun Examples Rigel Wega, Sirius Canopus Sonne, α Centauri Arcturus Betelgeuze Braune Zwerge Mnemotechnisch: Oh, Be A Fine Girl/Guy, Kiss Me 100 Milliarden Sterne => unsere Galaxis (die Milchstraße) Nukleus • Bulge • Scheibe • Halo Komponenten Scheibengalaxie Halo aus Dunkler Materie 150 Kugelsternhaufen M(<r) = V²Rot r / G Die Rotationskurve gemessen Scheiben rotieren maximal geometrisch dünn aus 21 cm H Masse rotiert von uns weg Bulge Sphäroid rotiert auf uns zu Konstante Rotation ist generisch Halo besteht aus Dunkler Materie • Evidenz: Rotationskurven, Galaxienhaufen & CMB Baryonen können nur 4% beitragen • Was ist Dunkle Materie (CDM) ? Stabiles supersymmetrisches Teilchen mit Masse ~ 1 TeV/c² Nachweis LHC > 2010 andere exotische Teilchen aus Hochenergiephysik ??? • Diese Teilchen sind im frühen Universum „auskondensiert“, dominieren heutige Materie Die Suche nach Dunkler Materie LHC CERN seit Nov. 2009 in Betrieb 27 km langer p-Ring Nach mehr als einem Jahr andauernden ReparaturArbeiten war der Large Hadron Collider (LHC), der größte Teilchenbeschleuniger der Welt, letzte Woche wieder ans Netz gegangen. Nun sind das erste Mal Protonen miteinander kollidiert. Mögliche Spekulation: Supersymmetrie Standardmodell Supersymmetrie Jedes SM-Teilchen erhält einen Superpartner mit Spinunterschied ½. Das leichteste Teilchen ist wahrscheinlich stabil: Neutralino Kandidat für Dunkle Materie. Wir halten fest: • Objekte werden immer noch an Himmelssphäre projiziert, unabhängig von ihrer Distanz Aitoff-Projektion auf Ellipse. • Struktur der Milchstraße ist heute sehr gut bekannt: 200 Mia. Sterne, Gas und Staub • Milchstraße ist normale Scheibengalaxie, eingebettet in Halo Dunkler Materie. • Suche nach Dunkler Materie beginnt 2010 am LHC in Genf. • Milchstraße enthält neben Sternen noch viel Gas, Staub und sog. Nebel (Orion, …).
