Kollidierende Galaxien

Highlights der Astronomie
APOD vom21.11.2004: die kollidierenden Galaxien NGC 2207 und IC 2163
Wechselwirkende Galaxien und Galaxienentwicklung Was ist zu sehen?
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zwei Galaxien, nahe beieinander
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verbindende Materiebrücken
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gemeinsamer “Nebel” um beide Galaxien
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sehr viel blaues “Licht” in den Spiralarmen
der linken Galaxie (NGC 2207)
weniger im Innern der
rechten (IC 2163)
stehen diese beiden
Galaxien nur zufällig
nebeneinander oder
sind sie wirklich nebeneinander?
Was passiert wirklich?
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die beiden Galaxien befanden sich auf Bahnen, die sich soweit nähern, dass sie sich gegenseitig einfangen
dabei fliegen die beiden Galaxien entweder ganz nahe aneinander vorbei, oder sogar durch sich hindurch
sie werden nicht mehr auseinander kommen und irgendwann sogar zu einer Galaxie verschmelzen
durch die starken Gezeitenkräfte werden Struktur, Gas, Sterne stark beeinflusst und modifiziert
solche Wechselwirkungen sind nicht unüblich, vielleicht sogar normal und notwendig für die Entwicklung von Galaxien
unsere beiden Galaxien befinden sich noch in einer frühen Phase ihrer Verheiratung
Galaxien
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Galaxien sind Ansammlungen von –
Sternen (etwa 1011, Bereich von 109 – 1012, typische Masse eines Sterns bei 1 M⊙)
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Gas zwischen den Sternen (Interstellare Materie; etwa 10% der Galaxienmasse, 10% des ISM wiederum in Staubform)
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dunkle Materie, typischerweise 10­mal soviel Masse wie in Sternen
drei Typen
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Spiralgalaxien
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elliptische Galaxien
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Zwerggalaxien (sphärische, elliptische, irreguläre)
Morphologie – das Hubble­Diagramm
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Galaxien haben unterschiedliches Erscheinungsbild
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Hubble ordnete morphologische Typen (willkürlich)
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auch unterschiedliche Eigenschaften?
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Zusammenhang zwischen diesen morphologischen Typen?
Spiralgalaxien
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Scheibe mit Spiralarmstruktur und zentraler Verdickung (bulge)
zwei Hauptklassen: normale (S) und Balken­ (SB) ­ Spiralen; letztere zeigen balkenförmige Struktur vom Bulge ausgehend
weitere Unterklassen (a, ab, b, bc, c, cd, d) entsprechend dem Verhältnis Bulge zu Scheibe
werden "früh" bis "spät" genannt
Bezeichnung ohne jede wirkliche Bedeutung!
ebenso Spiralgalaxien = "Spättyp" ohne Bedeutung
Elliptische Galaxien
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Galaxien mit etwa elliptischen Isophoten
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keine weitere Struktur
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Elliptizität =1­b/a (a, b: große bzw. kleine Hauptachse), von 0 bis etwa 0.7
Unterklassen En, mit n=10; E0: kreisförmige Isophoten
offensichtlich Projektions­Effekte wichtig, daher Klassifikation nicht unbedingt aussagefähig
andererseits Elliptizität auch nicht nur projektions­
bedingt
elliptische Galaxien = "Frühtyp" ­ ohne Bedeutung
Morphologie
Die Hubble­Sequenz illustriert mit echten Galaxienaufnahmen
Ein Bilderbuch: Elliptische Galaxien
M49 (E1) im Virgo­Haufen
M32 (E2); Zwerggal.
Begleiter von M31
M86 (S0 oder E0?)
im Virgo­Haufen
NGC5128 (Cen A); E0;
pekuliär wg. Radio und
Röntgen­Emission; Staubband
M110 (E6); Zwerggal.
Begleiter von M31
M59 (E5) im Virgo­Haufen
... noch mehr Bilder: Spiralgalaxien
M64 (Sab) in Coma Berenices
NGC1300 (SBc)
M31 (Sb)
Andromeda­Nebel
M33 (Sc)
lokale Gruppe
M104 (Sab)
Sombrero­Galaxie
M58 (SBc)
Virgo­Haufen
M102 (S0); Spindel­
Galaxie im Drachen
... und immer noch mehr schöne Bilder
IC4182: Irr (Spiral)
SMC (Irr)
LMC (SBm)
NGC2276 (Sc)
NGC5383 (SBb)
NGC2685 (S0p)
Unsere Milchstraße
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Typ: Sbc
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bekannte Komponenten sind:
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Scheibe mit Spiralarmen
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zentraler Bulge
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sphärischer Halo
Entfernung zum Zentrum (in Richtung Sternbild Sagittarius) R0 = 8.5 kpc ●
Geschwindigkeit der Sonne um Zentrum 220 km/sec
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Durchmesser der Scheibe etwa 50 kpc
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Halo mindestens ebenso groß
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M = 1.3 x 1012 M⊙; L = 3.6 x 1010 L⊙ Entstehung und Entwicklung von Galaxien
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Galaxien finden sich auch bei höchsten Rotverschiebungen, also selbst im frühesten (soweit bekannt) Universum
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entstehen also bereits sehr bald nach dem Urknall (< 1 Gyr)
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sehen auch im frühesten Universum fast genauso aus wie jetzt
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entwickeln sich also schnell
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entstehen entweder als Ganzes aus überdichten Bereichen der intergalaktischen Materie (“monolithisch”)
oder durch Verschmelzen von kleineren Protogalaxien (“hierarchisch”)
dieser Prozess dauert heute noch an
das Verschmelzen bedeutet nicht nur eine Vergrößerung, sondern auch Störung, bis Umwandlung der Galaxien
von Wechselwirkungen betroffen ....
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hohe Dichte in Galaxien­Haufen legt nahe, dass Wechselwirkungen zwischen den Mitgliedern stattfinden
entweder durch Gezeiten­Kräfte oder direkte "Kollisionen"
ähnliches gilt für Zwerg­Galaxien in der Umgebung großer Galaxien, wie in der Lokalen Gruppe
Dominanz von Ellipsen in Zentren von Galaxien­Haufen:
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Hinweis auf Entstehungsprozess des Haufens?
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oder Resultat der Wechselwirkungen?
liefern Wechselwirkungen Schlüssel zum Verständnis der Hubble­Sequenz?
weitere Hinweise auf Wechselwirkungen
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mindestens 50% aller Scheiben in Galaxien sind verbogen ("warped disks")
auch die der Milchstraße
elliptische Galaxien haben häufig (50%)
Schalenstruktur in Sternverteilung heißes Gas in reichen Galaxien=Haufen, angereichert mit Metallen:
durch Gezeitenkräfte aus Galaxien entfernt?
bottom­up Szenario der Galaxienentstehung:
große Galaxien entstehen aus Verschmelzen von kleineren
heutige Wechselwirkungen sind Teil dieses Prozesses
der Merger­Tree
Wechselwirkungen ­ Beispiele
Seyferts Sextett in enger
Wechselwirkung:
ein Objekt Hintergrund,
eines nur "tidal tail"
M51 ("whirlpool galaxy"; NGC 5194
und 5195); 10 Mpc entfernt
erste Galaxie, in der Spiralstruktur sichtbar war (Earl of Rosse, 1845).
NGC 6872
eine verzerrte Spiralgalaxie
"Die Antennen"
NGC 4038/4039: mit Vielzahl neu entstandener massereicher
Sternhaufen (blau ­> jung) und Gas­Strömen: Kollision führt zu Verlust von Gas!
Tadpole and Mice
NGC 4676("The Mice")
Stephans Quintett
Stephans Quintett im Röntgen
blau: heißes Gas, vom Chandra­Röntgensatellit
beobachtet
spricht für Stöße (Shocks)
zwischen den Galaxien, die
zu starker Aufheizung des Gases führen (6 106 K)
Cartwheel­Galaxie
im Radio eine Materiebrücke
zur Schuldigen?
Mergers in einem entfernten Galaxienhaufen
81 Galaxien in MS1054­03 (2500 Mpc), davon 13 in Wechselwirkung (Hubble Space Telescope)
Stern­Kollisionen?
Modellgalaxie in Box­Form:
5 kpc = 5 10 21 cm
50 kpc = 5 10 22 cm
effektive Fläche 2.5 10 44 cm 2
Radius eines typischen Sterns 1011cm, also Fläche 1022 cm2 davon 1011 Sterne, also insgesamt max. Sternfläche 1033 cm2
Sterne füllen etwa 4 10­12 des Galaxienquerschnitts aus
Wenn nun 1011 Sterne durch unsere Galaxie fliegen (Boxen
treffen frontal aufeinander), ist die Wahrscheinlichkeit einer
Sternkollision immer noch knapp unter 1
Gas
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im Gegensatz zu Sternen füllt Gas den Raum aus
daher wechselwirkt das Interstellare Gas der beiden Galaxien
es wird komprimiert,
nachgeschleppt, durch erhöhte Temperatur und Druck herausge­
blasen, etc.
einige Ergebnisse von Simulationen
(s. auch Barnes, Univ. Hawaii: www.ifa.hawaii.edu/~barnes)
Zeitskalen
108­109 J.
2 identische, gegeneinander
gekippte Spiralgalaxien, nur
Gas, 3 Komponenten (Farben)
Entstehung eines massiven,
gebundenen Objekts in einem “tidal tail” ; Vorläuferobjekte sind
grün (Gas) und blau (Sterne)
Reaktion einer Scheibengalaxie: Halo (Dunkle Materie in rot, Bulge Sterne
gelb, Scheibensterne blau, Gas grün)
Milchstraße und Andromeda­Nebel
obwohl 770 kpc entfernt,
nimmt M31 immer noch
2.5o am Himmel ein!
Relativgeschwindigkeit
zur Galaxis 119 km/s
­> Verschmelzen in ca. 6.3 Mrd. Jahren
­> elliptische Galaxie?
Sagittarius Zwerggalaxie (Sgr DEG)
nächste Zwerggalaxie,
nur 28 kpc entfernt,
in Richtung Sagittarius,
also Zentrum der Milch­
straße, daher erst 1994
entdeckt
diese Galaxie wird gerade von unserer
Milchstraße verschlungen
Sgr Gezeitenstrom, Bahn von Sgr DEG
Folgen der Wechselwirkungen
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Verschmelzen
­> aus kleinen Galaxien werden große
Gas­ und Strukturverlust ­> aus Spiralgalaxien werden elliptische
● gegenrotierende Kerne
● multiple Kerne in cD­Galaxien
● mehr Ellipsen in (reichen) Haufen
Gezeitenkräfte lösen Sternentstehung aus ­> Starburst­Galaxien
Stoßheizung des Gases
­> Röntgen­Emission
Wechselwirkungen sind nicht selten und exotisch, sondern essentiell für die Entstehung und Entwicklung von Galaxien
M51 – Beispiel für induzierte Sternentstehung
im Röntgen:
heißes Gas nach
Interaktion
im Infraroten:
Verteilung des kühlen
Gases
im Sichtbaren: die hellen Punkte sind neu entstandene Sternhaufen, einige 106 Jahre alt und 107 M⊙ schwer.
... und das nächste Mal
APOD vom28.11.04:  Carinae Massereiche Sterne, Vorläufer von Supernovae