Kosmogonie Galaxien - Physikalischer Verein
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Kosmogonie Galaxien Klassifikation und Entwicklung Kosmologie im 19. und frühen 20. Jahrhundert Kant - Wright‘sche Weltbild (Epikureisches Weltbild) • Inspiriert durch das Buch von Thomas Wright: An Original Theory of the Universe (1750) veröffentlicht Kant sein Buch Allgemeine Naturgeschichte und Theorie des Himmels (1755). • Sonnensystem ist Teil der Milchstraße. • Sonnensystem ist im Zentrum der Milchstraße (erst 1918 durch H.Shapely widerlegt). • Die „Nebel“ sind wie die Milchstraße „Welten-Inseln“ • Weltall ist unendlich. Quelle: Wikipedia • Ideen zur Entstehung von Planetensystemen aus Gasnebeln (ohne Rotation) © Dr. R. Göhring [email protected] VI-2 Kosmologie im 19. und frühen 20. Jahrhundert Kant – Laplace‘sche Weltbild (Weltbild der Stoiker) • Laplace beschreibt in seinem Buch Exposition du systeme du monde (1796) die Entstehung von Planetensystemen aus rotierenden Gasnebeln. • Die (alle) „Nebel“ sind primordiale Planetensysteme. • Es gibt nur eine „Welten-Insel“, unsere Milchstraße. • Dieses Weltbild wurde bestärkt durch die Entdeckung der Spiralstruktur von M51 1845 durch William Person (Earl of Rosse) – als Beweis eines entstehenden Planetensystems. • Das Universum ist statisch. Quelle: Wikipedia © Dr. R. Göhring • Es war das beherrschende kosmologische Modell im 19. und frühen 20. Jahrhundert. [email protected] VI-3 © Dr. R. Göhring [email protected] VI-4 Edwin Hubble (1889 – 1953) Hubble konnte 1922 u.a. im Andromedanebel einzelne Sterne – auch Cepheiden – auflösen und damit zeigen, daß die „Nebel“ Galaxien sind, vergleichbar der Milchstraße. Quelle: Archives, California Institute of Technology © Dr. R. Göhring Quelle: http://odin.physastro.mnsu.edu/~eskridge/astr101/week13.html [email protected] VI-5 Expansion des Universums • Einstein ging in seinen frühen kosmologischen Arbeiten noch von einem statischen, unendlichen aber mit endlicher Masse versehenen Universum aus. • Um ein statisches Universum zu gewährleisten, mußte er das Lambda-Glied in seine Formeln einführen. • Edwin Hubble veröffentlichte 1929 seine Entdeckung der Rotverschiebung der Galaxien und damit die Expansion des Universums. Quelle: http://astronomy-links.net/einsteinmindastronomy.htm © Dr. R. Göhring • Aber erst 1930 ließ sich Einstein davon überzeugen, daß das Universum nicht statisch ist. [email protected] VI-6 © Dr. R. Göhring [email protected] VI-7 Elliptische Galaxien (E-Typen) Typ E0 Typ E2 M 87 Typ E5 M 60 M 59 Quellen: Wikipedia/HST/NASA/ESAC © Dr. R. Göhring [email protected] VI-8 S0 (linsenförmige) Galaxien NGC 5866 S0 Centaurus A S0 NGC 1316 S0 Quellen: Wikipedia/HST/NASA/ESA © Dr. R. Göhring [email protected] VI-9 Spiralgalaxien M 81 Sa M 51 Sb M 74 Sc Quellen: Wikipedia/HST/NASA/ESA © Dr. R. Göhring [email protected] VI-10 Balkengalaxien NGC 1512 SBab NGC 1300 SBb NGC 2536 SBc NGC 2903 SBd © Dr. R. Göhring [email protected] Quellen: Wikipedia VI-11 © Dr. R. Göhring [email protected] VI-12 Galaxien in unterschiedlichen Wellenlängen Galaxie NGC 1512 Aufnahme in UV Zentrum im sichtbaren Licht © Dr. R. Göhring [email protected] Quelle: NASA/HST VI-13 Charakteristika von Galaxien • Leuchtkraft: ist die abgestrahlte Energie pro Zeiteinheit; entweder über den gesamten Spektralbereich oder in verschiedenen Wellenlängenbereichen gemessen (dazu muß die Entfernung bekannt sein). • Masse: auch hierfür muß die Entfernung bekannt sein; unterschieden werden muß in leuchtende Materie und Dunkle Materie. • Radius: unterschieden wird in scheinbaren und absoluten Radius; für den absoluten Radius muß die Entfernung bekannt sein. • Bewegungsenergie der Sterne: ist ein Maß für den „Innendruck“ des Sternsystems; er wirkt gegen die Gravitation und hält das System formstabil. • Drehimpuls: er errechnet sich aus Masse, Bahngeschwindigkeit und Bahnradius; damit steht die Rotationskurve in Zusammenhang. • Chemische Zusammensetzung: sie gibt Auskunft über den Entwicklungszustand der Galaxie. © Dr. R. Göhring [email protected] VI-14 Sternpopulationen in Galaxien • Optische Farbe rot: Scheibenpopulation I und II • Optische Farbe blau: Junge Sternpopulation I in den Spiralarmen aufgenommen im UV-Bereich. • Optische Farbe gelb. Alte Sternpopulation II im Zentralkörper der Galaxie. M 74 Sc Quelle: UIT/NASA © Dr. R. Göhring [email protected] VI-15 Abhängigkeit der Flächenhelligkeit vom Radius Quelle: http://www.astro.physik.uni-goettingen.de/ © Dr. R. Göhring [email protected] VI-16 Halo M 104 Quelle: http://www.noao.edu/outreach/aop/observers/m104wade.jpg Quelle: http://www.mpe.mpg.de/xray/wave/rosat/gallery/calendar/2001/jul.php • Im annähernd kugelförmigen Halo von Galaxien findet man Kugelsternhaufen, einzelne Sterne, heißes interstellares Gas und vermutlich auch schwarze Löcher. • Das heiße Gas – mehrere Millionen Grad heiß – strahlt im Röntgenlicht. Darin lassen sich die Elemente aus früheren Supernovae nachweisen. © Dr. R. Göhring [email protected] VI-17 Rotation in Scheibengalaxien Tully-Fisher-Relation • Brent Tully und Richard Fisher entdeckten einen interessanten Zusammenhang zwischen der Leuchtkraft L und der maximalen Rotationsgeschwindigkeit von Galaxien: L ~ (vmax)b • Die Größe b hängt von der Wellenlänge ab, unter der die Galaxie beobachtet wird. • Der Zusammenhang läßt sich leicht plausibel machen. Je mehr Sterne eine Galaxie hat, um so größer ist die Summe der Leuchtkraft der einzelnen Sterne und damit der Galaxie; je massereicher die Galaxie ist, um so schneller muß sie rotieren, damit sie im Gleichgewicht bleibt. • Die Tully-Fisher-Relation ist ein wichtiges Hilfsmittel zur Entfernungsbestimmung in der Kosmologie. Quelle: R. Bottema, http://arxiv.org/pdf/astro-ph/0204344 © Dr. R. Göhring [email protected] VI-18 Dynamik Spiralarme • Spiralarme in Galaxien bestehen nicht aus immer den selben Sternen, sondern sind das Ergebnis von Dichtewellen. • Man kann sich das so vorstellen, daß die Bahnen der Sterne um das Zentrum der Galaxie keine Kreise sondern Ellipsen sind, deren Hauptachsen gegeneinander geneigt sind. • Dadurch entstehen lokale Verdichtungen, die ein etwas erhöhtes Gravitationspotential erzeugen. • Die Theorie der Dichtewellen wurde 1925 von Lindblad entwickelt aber wenig beachtet. • P.P. Lin und F.H. Shu bauten die Theorie als Kontinuumstheorie aus; obwohl viele Fragen offen bleiben, ist das die gängige Vorstellung über die Dynamik der Spiralarme. © Dr. R. Göhring [email protected] VI-19 Dynamik Spiralarme • Nach der Theorie von Lin und Shu läuft die Spiralstruktur – Dichtewelle – mit konstanter Winkelgeschwindigkeit p um. • Für unsere Milchstraße ergibt sich aus Beobachtungen p ≈ 13,5 km s-1 kpc-1. Die Winkelgeschwindigkeit der Sterne unserer Umgebung ist w 0 = 26 km s-1 kpc-1; Die Dichtewelle läuft demnach mit der halben Sterngeschwindigkeit um. Stoßfront • Von „hinten“ laufen die Sterne und der interstellare Staub in das verdichtete (etwa 5 %) Gebiet der Dichtewelle ein und es bildet sich eine Stoßfront. • Dadurch werden Jeans-Instabilitäten und damit die Bildung junger Sterne begünstigt. • An der konvexen Seite der Stoßfront bildet sich ein schmales Band heller blauer Sterne, an das sich ein breiterer Bereich älterer Sterne und Sternhaufen anschließt. (nach W.W. Roberts, 1968) • Die alten Sterne der Scheibe sind nahezu gleichförmig verteilt. © Dr. R. Göhring [email protected] VI-20 Balkengalaxien © Dr. R. Göhring [email protected] VI-21 Balkengalaxien Der Balken in diesen Galaxien entsteht durch Instabilitäten in der Sternscheibe. Sie bilden sich entweder spontan in der rotierenden Scheibe oder werden durch Gezeitenkräfte erzeugt, die durch Wechselwirkungen mit vorbeiziehenden Galaxien hervorgerufen werden. Die Form des Balkens bleibt über lange Zeit erhalten und er rotiert starr mit geringerer Winkelgeschwindigkeit als die generelle Rotationsgeschwindigkeit. Balkengalaxien sind relativ häufig und man schätzt, daß 75 % aller Scheibengalaxien Balken haben. Die Sterne im Balken führen komplizierte Bahnformen aus; es sind stark gestreckte, nicht geschlossene Ellipsenbahnen entweder parallel oder senkrecht zum Balken. Obwohl recht stabil kann der Balken verschwinden und wieder entstehen. Staub und Massen im Halo der Galaxie haben großen Einfluß auf Form und Entwicklung des Balkens. Mit numerischen Modellrechnungen des entsprechenden N-Körper-Problems versucht man momentan die Randbedingungen für die Entstehung, Stabilität und Entwicklung von Balkengalaxien zu ergründen. © Dr. R. Göhring [email protected] VI-22 Dynamik in elliptischen Galaxien Elliptische Galaxien haben keine geordneten Sternbewegungen wie die Spiralgalaxien. Eine ungleichförmige Streuung der Geschwindigkeit und Bahnverteilung garantieren die Form. Ngc 1316 Die Stabilität zeigt sich in der Größe der Relaxationszeit trelax: trelax t cross N lnN Die Relaxationszeit trelax ist ist die Zeit, in der ein Stern durch Zweier-Stöße seine Richtung um 90o ändert. tcross ist die Zeit zum Durchqueren der Galaxie, N ist die Anzahl der Sterne. Quelle: Wikipedia © Dr. R. Göhring Für eine charakteristische elliptische Galaxie ist tcross ≈ 108 a, N ≈ 1012 (ln N ≈ 30). Die Relaxationszeit trelax ist demnach = 3·1018 Jahre, länger als das Weltalter. [email protected] VI-23 Zentrum der Milchstraße im Sternbild Schütze © Dr. R. Göhring [email protected] VI-24 Supermassives Schwarzes Loch im Zentrum der Milchstraße Quelle: http://chandra.harvard.edu/photo/2001/sgr_a/sgr_a_label.jpg © Dr. R. Göhring • Sgr A* (Sagittarius A*) im Zentrum unserer Milchstraße ist eine starke Radioquelle. • Man geht davon aus, daß es sich dabei um ein supermassives schwarzes Loch handelt mit einer Masse von ca. 4,3 Mio. Sonnenmassen und einem Radius von ca. 1,1·107 km, entspr. ca. 1700 Erdradien. • Es wurde ein Stern – S2 – entdeckt, der Sgr A* umrundet und sich dabei dem schwarzen Loch bis auf 17 Lichtstunden (ca. 109 km) nähert. • Sgr A* wird von weiteren, kleineren schwarzen Löchern umkreist, darunter IRS 13; sie entstanden in der Peripherie der Milchstraße, bewegten sich ins Zentrum und wurden von Sgr A* eingefangen. [email protected] VI-25 Aktive Galaxienkerne (Active galaxy nuclei AGN) Blazar Der Name Blazar leitet sich vom ersten Objekt dieser Klasse ab: BL Lac im Sternbild Lacerta (Eidechse) Quasar/ Seyfert 1 Radiojet Zentrales schwarzes Loch Gas- und Staubtorus Radiogalaxie/ Seyfert 2 Quelle: Wikipedia © Dr. R. Göhring [email protected] VI-26 „Minor Merger“ Sagittarius-Zwerggalaxie © Dr. R. Göhring [email protected] VI-27 „Major mergers“ – Kollision ähnlich großer Galaxien „Dentist`s chair“ Arp 147 Quelle: Weilbacher et al., 2002 Quelle: Wikipedia © Dr. R. Göhring [email protected] VI-28 NGC 4676A+B (Mäusegalaxien) Quelle: Wikipedia Die Kollision fand vor ca. 150 Millionen Jahren statt; in ca. 400 Millionen Jahren werden beide zusammen zu einer elliptischen Galaxie. © Dr. R. Göhring [email protected] VI-29 Hickson Compact Group 87 Quelle: Wikipedia © Dr. R. Göhring [email protected] VI-30 Verschmelzen von Galaxien Quelle: http://www.aip.de/groups/galaxies/galform/gallery.html © Dr. R. Göhring Quelle: http://www.mpa-garching.mpg.de/galform/data_vis/index.shtml [email protected] VI-31 Klassifikation von Galaxienhaufen (Rood-Sastry) Quelle: Wikipedia © Dr. R. Göhring [email protected] VI-32 Nachweis Dunkler Materie (Bullet Cluster) Quele: Wikipedia • Durch den Effekt der Gravitationslinsen läßt sich Dunkle Materie innerhalb von Galaxienhaufen nachweisen: blaue Bereiche im linken Bild, Dichtekonturen als grüne Linien im rechten Bild. • Durch die Kollision wird das intergalaktische Gas zwischen den Haufengalaxien stark aufgeheizt und strahlt im Röntgenlicht. © Dr. R. Göhring [email protected] VI-33 Galaxienhaufen und Dunkle Materie Abell 1689 Hinweis durch Röntgenstrahlung Nachweis über Lichtablenkung © Dr. R. Göhring [email protected] VI-34 Galaxienhaufen Abell 1689 Abell 1689 im Röntgenlicht http://chandra.harvard.edu/photo/2008/a1689/ © Dr. R. Göhring [email protected] VI-35 Leerräume/Voids • Die mittlere Dichte im Kosmos ist ca. 1 Atom pro m3. Die mittlere Dichte in Galaxien ist etwa 1 Million mal größer. • Es muß also „leere“ Gebiete zwischen den Galaxien geben, eben die Voids. • Typische Voids haben einen Durchmesser von 100 Mio. Lichtjahren. • Der größte bisher entdeckte Void hatte einen Durchmesser von 100 Mrd. Lichtjahren; das 1000-fache Volumen typischer Voids. Quelle: http://www.aip.de/image_archive/images/arbabi_voids.gif © Dr. R. Göhring [email protected] VI-36 Virgo Super-Haufen Quelle: http://www.atlasoftheuniverse.com © Dr. R. Göhring [email protected] VI-37 Kollision von 4 großen Galaxienhaufen. • Innerhalb eines Filamentes kollidieren Galaxienhaufen und heizen das intergalaktische Gas massiv auf, so daß es im Röntgenlicht strahlt. Die Farbkodierung in den Bildern zeigt blau als heißeste bis rot als kühlste Regionen. • Das System - MACSJ0717 genannt – befindet sich in einer Entfernung von ca. 5,4 Mrd. Lichtjahren. Quelle: http://chandra.harvard.edu/photo/2009/macs/macs.jpg © Dr. R. Göhring [email protected] VI-38 Entwicklung von Galaxien Man geht heute davon aus, daß sich die ersten Galaxien in einem Halo Dunkler Materie als Sternscheiben gebildet haben. Die kollabierende Jeansmasse hatte einen Drehimpuls, der die Scheibenform der Gasmasse bewirkte, in der schließlich die Sterne bildeten. Im Laufe der Zeit konnten immer größere Objekte entstehen; es bildeten sich Galaxienhaufen, in denen es immer wieder zu Kollisionen und damit zum Verschmelzen (merger) zweier (oder mehrerer) kam. Das Ergebnis der Verschmelzung großer Objekte sind die riesigen elliptischen Galaxien, die sich bevorzugt im Zentrum von Galaxienhaufen oder Superhaufen befinden. Kleinere elliptische Galaxien können durchaus aber durch Einfangen von kleinen Spiralgalaxien sich zu solchen entwickeln. So vermutet man, daß die Bulges der normalen Spiralgalaxien die Überreste von vorhergehenden elliptischen Galaxien sind. © Dr. R. Göhring [email protected] VI-39
