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
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