Das galaktische Zentrum
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Das galaktische Zentrum Tim Häckel 18. 12. 2007 Übersicht - Einführung - Struktur des galaktischen Zentrums - Eigenschaften des MBH (Massive Black Hole) - Sternentstehung und Sternpopulationen - Vergleich mit anderen Galaxien Einführung • 1932 erstmals von Karl Jansky im Radiobereich detektiert • 1974 Entdeckung der Radioquelle Sgr A* Einführung • Galaktisches Zentrum befindet sich im Sternbild Schütze (Sagittarius) • Entfernung: ~ 8 kpc (25000 Lichtjahre) Einführung • Beobachtung im Radio-, Infrarot- und Röntgenbereich • Im Optischen keine Beobachtung möglich (Staub) Einführung Beobachtung in den verschiedenen Wellenlängenbereichen (Ausschnitte unterschiedlich groß!): Radio Optisch (durch Staub verdunkelt) Infrarot Röntgen Struktur des galaktischen Zentrums Beobachtung im Infraroten 0.5 x 0.5 Grad (etwa Größe des Mondes) 1,7 x 1.7 Bogenminuten 30 x 30 Bogensekunden 0.8 x 0.8 Bogensekunden Struktur des galaktischen Zentrums Was ist im Zentrum? -> Beobachtung der Bewegung von Sternen, Gas und Staub nahe des Zentrums Struktur des galaktischen Zentrums Sternbeobachtungen über 12 Jahre -> Bewegen sich auf Keplerbahnen um das Zentrum (~1400 Km/s) -> Berechnung der Masse des MBH (Massive Black Hole) Masse: ~ 3 Mio. Sonnenmassen Struktur des galaktischen Zentrums Beobachtung im Radiobereich Struktur des galaktischen Zentrums Beobachtung im Radiobereich Mini-Spirale etwa 10 pc x 10 pc Struktur des galaktischen Zentrums Beobachtung im Radiobereich Mini-Spirale Ionisiertes Gas, welches in MBH stürzt oder es umkreist. Entstehung (verschiedene Theorien): - Mechanismus (gravitativ) der auch Spiralgalaxien formt - Kollision von Wolkenfragmenten der Circum-Nuclear-Disk (CND), so dass sie Drehimpuls verlieren und nach innen stürzen etwa 10 pc x 10 pc -Eastern Arm: Super-/Hypernova Überrest? Durch Gezeitenkraft zerissener Stern? Struktur des galaktischen Zentrums Beobachtung im Radiobereich Radio-Bögen (Radio Arcs) - Geladene Partikel mit relativistischen Geschwindigkeiten laufen über viele hundert Parsec entlang magnetischen Feldlinien -> Synchrotonstrahlung - Magnetfelder 100-1000 mal stärker als im Rest der Galaxie Struktur des galaktischen Zentrums Beobachtung im Röntgenbereich Beobachtung der Röntgenquellen in der Nachbarschaft von Sgr A*: -> Allein im Bereich 1pc x 1pc um Sgr A* vier variable Röntgenquellen entdeckt (A,B,C,D) -> zeitlich veränderlich, d.h. es muss sich um Binärsysteme aus Sternen mit Schwarzen Löchern/Neutronensternen handeln -> Das MBH wird von einem Schwarm aus 10000 - 20000 stellaren Schwarzen Löchern umkreist Grund: „dynamical friction“ Das MBH in Sgr A* Ist dort wirklich ein Schwarzes Loch? Kann man die Beobachtungen nicht auch anders erklären?! z.B. dichtes Cluster aus dunkler Materie, verteilt (3 Mio. Sonnenmassen auf 0.01 pc) isotrop -> Kann zwar die hohen Umlaufgeschwindigkeiten erklären aber das eingefangene Gas erhitzt sich längst nicht so stark wie man beobachtet. Das beobachtete Spektrum lässt sich damit nicht erklären. Das MBH in Sgr A* Ist dort wirklich ein Schwarzes Loch? Kann man die Beobachtungen nicht auch anders erklären?! andere Möglichkeit: massive Objekte aus exotischer Materie (schwere Neutrinos, Higgs-Boson, …) Aber: Sehr spekulativ und auch nicht widerspruchsfrei Plausibelste und wahrscheinlichste Ursache: Schwarzes Loch <... es fehlt nur noch ein konkreter Nachweis -> Das MBH in Sgr A* Kann man das schwarze Loch direkt sehen? Schwarzschild-Radius: Rs=2GM/c2 Bei M=3*106 MSonne Rs=11 RSonne -> Im Radiobereich mit VLBI (Very Long Baseline Interferometry) gerade noch auflösbar Das MBH in Sgr A* Kann man das schwarze Loch direkt sehen? Das MBH ist von einer dichten, strahlenden Gaswolke umgeben. -> Simulation des Erscheinugsbildes des MBH maximale Rotation keine Rotation 0.6 mm 0.6 mm + Streuung + instrumentelle Effekte 1.3 mm Das MBH in Sgr A* Strahlungscharakteristik: -> Strahlt schwächer als zunächst erwartet. Nur ein kleiner Bruchteil der gewonnenen Gravitationsenergie (< 10-4) wird in Strahlung umgewandelt. -> Wie das gemessene Spektrum entsteht ist noch nicht vollständig verstanden. Diskutierte Effekte: - thermische Emission in Akkretionsscheibe Synchrotonstrahlung - Jets Das MBH in Sgr A* Strahlungscharakteristik: Radio -> In den 1970ern als nichtthermische Radioquelle entdeckt -> Schwankungen von etwa 10% festzustellen. Charakteristische Zeitskalen: Wenige bis einige hundert Tage. -> Eine mögliche Erklärung: Materiefluss in das MBH variiert zeitlich. Das MBH in Sgr A* Strahlungscharakteristik: Infrarot -> Erst 2003 wurde Sgr A* im Infrarotbereich entdeckt. Schwache IR Quelle, die jedoch immer wieder helle Flares zeigt (Anstieg in wenigen Minuten, Abfall in ~ 1 Std) - kurze Zeitskala -> Quelle der Strahlung innerhalb von zehn Schwarzschildradien des MBH Erklärung: schwache konstante IR-Emission: Synchrotonstrahlung -> Flares: ??? -> Das MBH in Sgr A* Strahlungscharakteristik: Infrarot -> Flares mit periodischen Schwankungen: Zeitskala etwa 17 min (extrem kurz!) -> einzige plausible Erklärung: Dopplerverschiebung der emittierten Strahlung von Materie auf dem letzten stabilen Orbit Das MBH in Sgr A* Strahlungscharakteristik: Infrarot Letzter stabiler Orbit hängt vom Drehimpuls des MBH ab, er wird mit zunehmendem Drehimpuls kleiner -> Bei Umlauffrequenz von 17 min müsste das MBH fast seinen maximalen Drehimpuls haben ABER: Noch weitere Beobachtungen notwendig Das MBH in Sgr A* Strahlungscharakteristik: Röntgen -> Sgr A* 1990 von Rosat im Röntgenbereich entdeckt -> konstante schwache Emission über relativ großen Bereich verursacht durch heißes Gas (Aufheizung durch Supernovae, Sternwinde) -> Flares: Innerhalb von Minuten steigt Emission um Faktor 100, Punktquelle wird sichtbar. Bereich: Etwa 10 Schwarzschildradien um MBH Sternentstehung und Sternpopulationen Sternpopulationen: In drei Bereiche unterteilbar: -100 pc bis 0,4 pc vom Zentrum - 0,4 bis 0,04 pc vom Zentrum - Innere 0,04 pc - Außerdem „Arches“ and „Quintuplet“ Cluster in je 30 pc Entfernung vom Zentrum Sternentstehung und Sternpopulationen 100 pc bis 0,4 pc vom Zentrum: - Sterndichte nimmt mit r-2 in Richtung des Zentrums zu - Sterne folgen galaktischem Rotationsmuster - Gemisch aus alten und jungen Sternen, die sich kontinuierlich während der Lebensdauer der Galaxie entwickelt haben 0,4 pc bis 0,04 pc vom Zentrum: - Sterndichte nimmt mit r-1,4 in Richtung des Zentrums zu - Im Vergleich zu den Sternen im Bereich 100 pc - 0.4 pc rotieren die Sterne andersherum um das Zentrum - Besonders viele junge massive Sterne, wie z.B. Wolf-Rayet Sterne (Masse: 10-50 Sonnenmassen) Sternentstehung und Sternpopulationen Innere 0,04 pc („S-Stars“): - keine hellen Giganten mehr, sondern hauptsächlich massive Hauptreihensterne (B0-B9), mit 3-10 Sonnenmassen - Umlaufbahnen nicht korreliert Arches und Quintuplet Cluster: Sternentstehung und Sternpopulationen Arches und Quintuplet Cluster: - Beide 30 pc vom Zentrum entfernt - Quintuplet: 104 Sonnenmassen, Dichte: ~103 Sonnenmassen/Parsec - Arches: >104 Sonnenmassen, Dichte: ~ 3*105 Sonnenmassen/Parsec Central-, Arches-, und Quintuplet Cluster -> Enthalten hunderte O-Sterne, dutzende Wolf-Rayet Sterne -> 10% aller massiven Sterne der Galaxie (M > 20 Msonne) finden sich dort -> Erzeugen 10% der ionisierenden Strahlung der ganzen Galaxie -> 250 mal höhere Sternbildungsrate als in übriger Galaxie Sternentstehung und Sternpopulationen Beispiel: Der Pistolenstern -> massivster bekannter Stern: 200 – 250 Sonnenmassen -> 10 Mio mal so hell wie die Sonne -> Stern so hoher Masse sollte es nach den Theorien der Sternentstehung gar nicht geben (vielleicht Binärsystem) Warum gibt es im galaktischen Zentrum so viele massive Sterne? Sternentstehung und Sternpopulationen Gründe für die vielen massiven Sterne: - Gezeitenkraft des MBH erschwert Kollaps von Gaswolken -> Für Kollaps müssen Gaswolken dichter sein als üblich -> massivere Sterne - massivere Sterne produzieren mehr Metalle -> Material für Sternentstehung hat höhere Opazität -> Kollaps gebremst durch größeren thermischen Gegendruck -> verlangsamter Kollaps führt ebenfalls zu größerer Sternmasse - großes Magnetfeld Vergleich mit anderen Galaxien Ist unsere Milchstraße etwas Besonderes? - Zentrum der Milchstraße ist relativ normal - Viele andere Galaxien haben vermutlich ebenfalls ein MBH im Zentrum (106 – 109 MSonne) und sind ähnlich ruhig wie das galaktische Zentrum - Einige Galaxien weisen im Zentrum jedoch wesentlich höhere Äktivität auf (Active Galactic Nuclei, AGN) -> Kein anderes galaktisches Zentrum so gut beobachtbar wie das der Milchstraße -> Am besten geeignet für das Studium galaktischer Kerne Quellen - http://de.wikipedia.org/wiki/Galaktisches_Zentrum - http://www.astro.ucla.edu/~tanner/gcintro.html - http://www.mpe.mpg.de/ir/GC - http://www.spaceref.com/news/viewpr.html?pid=15861 - Melia & Falcke: The Supermassive Black Hole at the Galactic Center - Alexander: Stellar Processes Near the Massive Black Hole in the Galactic Center, Sections 1 & 2 - Carroll & Ostlie: Modern Astrophysics, Section 22.4 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit
