9. Galaxien Teil 2 Vorlesungen vom 3.12.2014 und 10.12.2014

9.Galaxien
Teil2
Vorlesungenvom3.12.2014
und10.12.2014
7.12.2016
Astronomie 9. Kapitel: Galaxien Teil 2 W. Schmutz
1
9.10DieDistanzleiter
7.12.2016
Astronomie9.Kapitel:GalaxienTeil2W.Schmutz
2
Sternparallaxen
1833
1837
1838
Henderson: a Cen:π= 3/4˝(hataberspäteralsBesselpubliziert)
Struve:
Wega:π=1/8˝
Bessel:
61Cyg:π=1/3˝
ESASatellitHipparcos 1989-1993:
Sternparallaxenvonetwa100’000Sternen (Resultateca.1996publiziert
GuteDistanzenbisca.d=250pc;1/250à 4milli-Bogensekunden(mas)
(Genauigkeit<1mas)
400‘000SternemitgeringererGenauigkeità bisca.1kpc
à DistanzenzunahenSternhaufen
ESASatellitGaia – gestartet19.Dez2013
Missionsdauer:5Jahre;jederSternimSchnitt70Malvermessen
Positions-Genauigkeit<10microarcsec (100xbesseralsHipparcos)
à ohneStaubwäredie ganzeGalaxievermessbar
Resultate:EinKatalogvonPositionen,Distanzen,Eigenbewegungen,
Helligkeiten
Temperaturen,chemischeHäufigkeiten
...füreineMilliardeSterne(1%derGalaxie)
7.12.2016
Astronomie9.Kapitel:GalaxienTeil2W.Schmutz
3
RelativeDistanzzwischenSternhaufen
MitSternhaufenmit
gutbestimmter
Distanzkannman
Eigenschaftenvon
besonderenSternen
kalibrieren,
insbesondere
Cepheiden
7.12.2016
Astronomie9.Kapitel:GalaxienTeil2W.Schmutz
4
KlassischeCepheiden
DiebedeutendsteUnterklasseder
pulsationsveränderlichenSterne:Die
klassischenCepheidenerhieltenihren
NamennachdemSternδ Cephei,der
einePeriodevonca.5,37Tagenaufweist.
Eshandeltsichumjungemassereiche
Sternemitmehrals3Mo,diesichvon
derHauptreihewegentwickelthaben
unddenInstabilitätsstreifenmehrfach
kreuzen.Siegehörenzur
Scheibenpopulationundkommenin
offenenSternhaufenvor.
7.12.2016
Astronomie9.Kapitel:GalaxienTeil2W.Schmutz
5
PhysikdesPulsationsprozesses
GrundlagefürdiePulsationderCepheidenistderKappa-Mechanismus.
DieAbsorptiondesGasesinderSternhüllenimmtbeieinereinerkritischen
TemperaturfürdieAnregungderhöherenNiveausdesWasserstoffessehrstarkzuals
FunktionderTemperatur.
BeigrosserAbsorptionwirddieStrahlungblockiertwodurchdieblockierendeStelle
aufgeheiztwirdunddurchdenzunehmendeDruckexpandiert.
DieVolumenzunahmehatzurFolge,dassdieAbsorptionsfähigkeitsinkt,unddie
Strahlungentweichenkann.
DieTemperaturunddaherderDrucknehmenwiederabundderSternziehtsich
aufgrundderGravitationwiederzusammenundderAblaufwiederholtsich.
DieCepheidenfolgeneinerPerioden-LeuchtkraftBeziehung:
MV =-2.81log(P)-1.42
Genauer:DieBeziehungistmetallizitätsabhängig.
Mit ihr ist es möglich, aus der Beobachtung des Lichtwechsels eines
Cepheiden auf seine absolute Helligkeit zu schließen.
Den Helligkeitswechsel von Cepheiden kann man in den nächsten Galaxien
verfolgen und damit kann genaue Distanzen zu diesen Galaxien bestimmen.
7.12.2016
Astronomie9.Kapitel:GalaxienTeil2W.Schmutz
6
SupernovaevomTypIa
EinweisserZwerg(CO)akkretiertMaterievoneinemBegleiter
MasseerreichtChandrasekhar-Grenze:1.4Mo
CundOfusionierenzuFeà (fast) ganzerSternexplodiertohnewesentlichenRest
Standardbombenbzw.StandardkerzenfürKosmologie
KalibrierungderHelligkeitMV(SNIa)innahenGalaxien
DieSNIasindetwasunterschiedlich– aberaufeinesehrgutdefinierteWeise
skalierbarà ausdemVerlaufderHelligkeitsänderungkannaufdieabsoluteHelligkeit
geschlossenwerden.
7.12.2016
Astronomie9.Kapitel:GalaxienTeil2W.Schmutz
7
9.11RotverschiebungundHubbleGesetz
Dopplereffekt(nichtrelativistisch):Dl/l =v/c
àRotverschiebung:Dl/l =z
àDopplereffektrelativistisch
(SpezielleRelativitätstheorie)
EdwinHubbleentdeckte(1929),dass
sichentfernteGalaxienvonunsweg
bewegen:
DieFluchtgeschwindigkeitist
proportionalzurDistanz.
7.12.2016
Astronomie9.Kapitel:GalaxienTeil2W.Schmutz
8
DieHubbleKonstante
DieHubbleKonstanteisteinewichtigeGrössederKosmologie.Eswurdeweltweit
enormvielArbeitinderenBestimmunginvestiert.
7.12.2016
Astronomie9.Kapitel:GalaxienTeil2W.Schmutz
9
9.12Galaxienentwicklung
MitdenbestenmodernenTeleskopen(HST,VLT)könnenGalaxienbeisehr
grossenDistanzen,>>1Mia.Lj,entdecktwerden.WeildasLichtdieserGalaxien
MilliardenJahreunterwegswar,sehenwirGalaxienwiesiefrüherausgesehen
haben:à TeleskopesindZeitmaschinen
Die Grafik zeigt die Beziehung
zwischen Rotverschiebung
und Zurückblick-Zeit relativ
zum Alter des Universums.
Eine Galaxie bei einer
Rotverschiebung z=2.0
entspricht einem Stadium als
das Universum etwa 4x jünger
war als heute.
Z=6.4 entspricht etwa den
entferntesten Galaxien die
man kennt.
7.12.2016
Astronomie 9. Kapitel: Galaxien Teil 2 W. Schmutz
10
HDF
HubbleDeepField
HDF war 1995 die
erste sehr tiefe
Beobachtung von
Galaxien im “frühen”
Universum
Feld: 2.5’ x 2.5’
(3x10-8 des Himmels)
~3000 Objekte
(~20 Sterne)
Das Licht der
entferntesten
Objekte wurde „nur“
2-5 Mia Jahre nach
dem Urknall
ausgesandt!
Nächste Seite:
Ausschnitt unten
rechts
7.12.2016
Astronomie 9. Kapitel: Galaxien Teil 2 W. Schmutz
11
z=0.68
z=1.24
z=2.80
z=0.50
z=0.76
z=1.06
7.12.2016
z=1.01
Astronomie 9. Kapitel: Galaxien Teil 2 W. Schmutz
12
Galaxienzählraten
Die Anzahl Galaxien pro Raumwinkel
erlaubt Rückschlüsse über die
Eigenschaften der Galaxien im frühen
Universum.
Im HDF werden etwa 10x mehr Galaxien
gezählt (Punkte) verglichen mit der
erwarteten Anzahl von Galaxien mit
gleicher Dichte und Helligkeit wie im
lokalen Universum (Linie).
Galaxienzählraten für Galaxien im HDF
(für alle Galaxientypen (a) und spezielle
Ga
Typen (b,c,d); aus Abraham et al. 1996,
(MNRAS 279, L47)
Die Erklärung ist, dass die Galaxien früher
statistisch heller waren, und deshalb
besser sichtbar sind. Der Überschuss ist
am deutlichsten bei den Galaxien mit
unregelmässiger Struktur, die gerade
wegen einem Verschmelzungsprozess
(Kollision) eine mit erhöhte
Sternentstehungsrate und damit
Leuchtkraft haben.
7.12.2016
Astronomie 9. Kapitel: Galaxien Teil 2 W. Schmutz
13
EigenschaftenderGalaxienimHDF z=1-4
(2-5MiaJahrenachdemUrknall)
•
•
•
•
kleineAusdehnung<10kpc (<0.5”)
sehroftirreguläreStruktur
intrinsisch:blaueGalaxien
immittelhelleralslokaleGalaxien
àkollidierendeGalaxien
Fragmente,diesichzudenersten
leuchtkräftigenGalaxienvereinen
7.12.2016
Astronomie 9. Kapitel: Galaxien Teil 2 W. Schmutz
14
GlobaleStern-Entstehungsrate
Lilly-Madau Plot: Aus der Untersuchung der mittleren Helligkeit von
Galaxien als Funktion der Rotverschiebung kann abgeleitet werden, dass
die Sternentstehungsrate ψ bei z=2 etwa 10 mal höher ist als heute (im
lokalen Universum)
7.12.2016
Astronomie 9. Kapitel: Galaxien Teil 2 W. Schmutz
15
9.13AktiveGalaxien
Verschiedene Objekte werden heute zu den aktiven Galaxien gezählt:
• Seyfert-Galaxien: Scheibengalaxien mit einem sehr hellen, punktförmigen
Zentrum mit einer Helligkeit vergleichbar mit dem gesamten Rest der Galaxie
• Quasi-stellare Objekte (QSO): sehr helle, > 100 LMilchstrasse, punktförmige
Quelle bei grosser Rotverschiebung z>0.2. QSO mit Radioemission werden
Quasare genannt.
• Radio-Galaxien: Galaxien mit ausgedehnten
(>10 kpc) Radioquellen hervorgerufen durch
die Synchrotronstrahlung von energetischen
Elektronen (z.B. Vir A).
• Diese Objekte sind typischerweise auch als
energetische Röntgenquellen und starke IRQuellen sichtbar.
Bild: Aktive Galaxie M87 (Vir A), die zentrale
Galaxie im Virgo Galaxienhaufen. Dies ist eine
Radiogalaxie mit einem Jet der auch im
sichtbaren Licht beobachtbar ist. Die Masse des
Zentralen Schwarzen Lochs ist etwa 109 Msun.
7.12.2016
Astronomie9.Kapitel:GalaxienTeil2W.Schmutz
16
EnergiequellevonAGNs
Wielässtsichdieenormhelle,punktförmigeLichtquellevonAGNserklären,dieeine
Leuchtkraftvon1011 – 1015 Lsun emittierenkann?
EinmassereichesSchwarzesLoch,M=106-109 Msun,dasMasseverschluckt,kannsoviel
Energieerzeugen.Nehmenwiran,dieabgestrahlteEnergie(z.B.1014 Lsun)istgleich
derproZeiteinheitfreiwerdendenpotentiellenEnergiederinsSchwarzeLoch
fallendenMasse𝑀̇=dM/dt,gerechnetvonr = ∞biszumSchwarzschildradiusrS :
56
∆𝐸*+,
𝑀𝑀̇
𝑀𝑀̇
𝐿 =
= − / 𝐺 2 𝑑𝑟 = 𝐺
∆𝑡
𝑟
𝑟4
7
Mit𝑟8 = 2𝑀𝐺 ⁄𝑐 2 istderbenötigteMasseneinfallfürL=1014 Lsun
𝑟8 𝐿̇
2𝐿
̇
𝑀=
= 2 = 2.2102? 𝑔⁄𝑠 = 3.5𝑀4DE /𝑦𝑟
𝐺𝑀 𝑐
NatürlichkannnichtdiegesamtegewonnenpotentielleEnergieinStrahlungsenergie
verwandeltwerden,dieRechnunggibtabereineguteIdeevonderGrössenordnung.
DieEnergieeineshellenQuasarskannalsoerklärtwerden,fallsdaszentraleschwarze
LocheinigeSonnenmassenproJahrverschluckt.
7.12.2016
Astronomie 9. Kapitel: Galaxien Teil 2 W. Schmutz
17
ModellvorstellungeinesAGN
BeiAGNisteineAkkretionsscheibe
umeinmassivesschwarzesLochim
ZentrumderGalaxiedieQuelleder
grossenEnergieemission.
Dieverschiedenen
Erscheinungsformenresultieren
aufgrundderverschiedenen
SehrichtungenaufdasZentrum.
WenndieStaubscheibedendirekten
Blickversperrt,dannfehlendie
innerenKomponenten.
DieAkkretionsratebestimmtdie
Aktivität.
7.12.2016
Astronomie9.Kapitel:GalaxienTeil2W.Schmutz
18
9.14DunkleMaterie
ZweiHauptklassenderKandidatenderdunklenMaterie:
• Baryonen
• nicht-baryonischeTeilchen
a)BaryonischedunkleMaterie
normaleMaterie,d.h.dasUrgemischvonca.90%Hundca.10%He.Esist
unwahrscheinlich,dassdieseTeilchenalsatomaresoderionisiertesGasvorkommen,denn
siewürdenzustarkstrahlenundwärenbeobachtbar
Möglichkeiten:
• brauneZwerge(`Sterne',dienichtmassivgenugsindumHzufusionieren,M<0.08M¤)
• planetenartigeGebilde(M~0.001M¤)
• alteundkalteweisseZwerge(0.1-0.6M¤)
• schwarzeLöcher
Gemeinsamwerdensie
MassiveAstrophysicalCompactHaloObjects
=MACHOsgenannt.
7.12.2016
Astronomie9.Kapitel:GalaxienTeil2W.Schmutz
19
„MACHO“und„EROS“Projekte
ZweiProjektehabenMACHOSinderMilchstrassegesucht:
• GegendasGalaktischeZentrum
• GegendieLMCundSMC
Arbeitsprinzip:WenneinunsichtbaresObjektmitMassesichvoreinem
HintergrundsterndurchbewegtwirddurchdieGravitationslinsenwirkungder
dunklenMassederHintergrundsternfürkurzeZeitheller.
ZweiGruppenphotometrierten einegrosseAnzahlSternejedeNachtinzwei
Farben(MACHOundEROSKollaborationen).
seit1993:vieleEreignissevoralleminRichtunggalaktischesZentrum.
Hauptresultat(publiziert2007):
MACHOsmitMassenimBereich10-7 und10-2 M¤ machen
wenigerals8%dergesamtendunklenMaterieaus.
Generell:MACHOSsindalsHauptbestandteilderdunklenMaterieimGalaxienHaloausgeschlossen.
7.12.2016
Astronomie9.Kapitel:GalaxienTeil2W.Schmutz
20
b)Nicht-baryonischedunkleMaterie
SammelbegriffWIMPs:
WeaklyInteractingMassiveParticles.SiemüsseneineMassebesitzenundhöchstens
mitsehrkleinemQuerschnittmitPhotonenwechselwirken.
Beispiele:
• NeutrinimitendlicherMasse:bestätigt! – abereineguteAbschätzungwievielNeutrini
zurdunklenMateriebeitragenistnochausstehend
• Axionen(Teilchen,dieeingeführtwurden,umProblememitderCP-Symmetrieinder
starkenWechselwirkungzubereinigen.IhreWechselwirkungmitnormalerMaterie
hängtvomSpinzustandab)
• Supersymmetrie(SUSY)Teilchen:SUSYvereinigtalleKräfteundpostulierteine
SymmetriezwischendenelementarstenBosonenundFermionen.Zujedem
elementarenFermioneinBoson,undumgekehrt.
7.12.2016
Astronomie9.Kapitel:GalaxienTeil2W.Schmutz
21
9.15HaufenundSuperhaufen
VerteilungvonGalaxienistnichtgleichförmig
à HaufenvonGalaxien
DieVerteilungderGalaxien-Haufenistnichtgleichförmig
à Superhaufen
ReguläreGalaxienH.
- Sphärischsym.
- verdichteterZentral-Bereich
- 1000Galaxien
- fastnurEundS0
- cD‘s imZentralbereich
- nichthäufig
Bsp.:Coma Haufen
IrreguläreGalaxienH.
- Amorph
- keineigentlichesZentrum
- 20- 1000Galaxien
- alleTypen
- cD selten
- typisch
Bsp.:lokaleGruppe,Virgo Haufen
Superhaufen:GrössereDichtevonGalaxienHaufenalsimDurchschnitt
keineklarisolierteundabgegrenzteGebildeà grossräumigeStruktur
7.12.2016
Astronomie9.Kapitel:GalaxienTeil2W.Schmutz
22
9.16GrossräumigeStrukturimUniversum
Superhafenbilden
einegrossräumige
Struktur.Sieist
ähnlichaufgebaut
wieein„Schwamm“:
Esgibt„Wändeund
Löcher“.
7.12.2016
Astronomie9.Kapitel:GalaxienTeil2W.Schmutz
23
SimulierteVerteilungderMaterieimUniversum
Links:DieheutigeVerteilungderdunklenMaterie ineinemscheibenförmigenSchnitt
durcheineSimulationeinesflachenUniversumsmiteinerkosmologischen
Konstanten.
Rechts:DieheutigeVerteilungderGalaxieninderselbenScheibewielinks.Galaxiensind
mitfarbigenKreisendargestellt.
7.12.2016
Astronomie9.Kapitel:GalaxienTeil2W.Schmutz
24
9.17Galaxienentwicklung
a)EntstehenvonGalaxien
DieKernederGalaxiensindmitDichtekonzentrationennachdemUrknallentstanden.
ZuerstwachsendieGalaxiendurchAkkretionvoninterstellaremStaub.
DanachdurchKollisionsverschmelzungmitanderenanderenGalaxien.
GrössereSpiralenkönnenkleinereGalaxienaufnehmenohnezerstörtzuwerden.Damit
wächstdieSpiraleundbekommtimmermehrDrehimpuls.
DiejungenGalaxiennachderEntstehungzeichnensichausdurch:
• kleineAusdehnung<10kpc
• sehroftirreguläreStruktur
• intrinsisch:blaueGalaxien
• kollidierendeGalaxien
• Fragmente,diesichzudenerstenleuchtkräftigenGalaxienvereinen
7.12.2016
Astronomie9.Kapitel:GalaxienTeil2W.Schmutz
25
b)ResultatederWechselwirkung
WechselwirkungzwischenGalaxien:
• häufig: Wechselwirkungmit (nahen)Zwerggalaxienfindenpraktischimmerstatt
• häufig:vorallemimZentrumvonGalaxienhaufen:Wechselwirkungzwischen
grossenGalaxien
Verschmelzung
esentstehenelliptischeRiesengalaxienohneGasundjungeSterne
- elliptischeGalaxienvorherrschendinHaufen(bis90%)
- SpiralgalaxienvorherrschendimRaumzwischendenHaufen(ca.70%)
EffektevonGalaxien-WechselwirkungundKollisionen
• StörungderSternbahnen(geordneteScheibenbewegungwirdzerstört)
• Gaskollidiert,Ekin à Etherm (T>>106 K)viel Rest-Massebleibtblockiertundsteht
nichtmehrfürneueSterngenerationenzurVerfügung
• Galaxienscheibenwerdenzerstört à Sphäroidewachsen
• Endprodukte:
• cD,gE Galaxien,SchmelztiegelvielerGalaxien
• dE Galaxien,Rest(zentralesSphäroid)einerS-Galaxie
• Irr Galaxien,FragmentevonS-Galaxien
7.12.2016
Astronomie9.Kapitel:GalaxienTeil2W.Schmutz
26
c)InnereDynamik
NichtbehandeltinderVorlesung!
DerTypusvonSpiralgalaxienändertmitderZeit,d.h.dasEntstehen,Aussehenund
VergehenvonSpiralstrukturenundBalkensindmitderZeitwechselndePhänomene.
StichwortenachdenenimInternetgesuchtwerdenkannsindz.B.„Spiralarm“,„Lindblad
Resonanz“,„Dichtewelle“und„Spiralarm“.
ImInternetsindvieleResultatevonSimulationenalsVideoszufinden,diedas
wandelndeAusseheneinerSpiralgalaxieillustrieren.
7.12.2016
Astronomie9.Kapitel:GalaxienTeil2W.Schmutz
27