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PDFMAILER.COM Print and send PDF files as Emails with any application, ad-sponsored and free of charge www.pdfmailer.com Inhalt Warum Dunkle Materie (DM) Dunkle Materie in unserer Milchstraße Baryonische DM: MACHOs (Massive Compact Halo Objects) MOND Großräumigen Strukturen (Galaxienhaufen und Superhaufen) Nichtbaryonische Dunkle Materie PDFMAILER.COM Print and send PDF files as Emails with any application, ad-sponsored and free of charge www.pdfmailer.com Warum Dunkle Materie? Erste Hinweise für die Existenz viel größerer Massenkonzentrationen in Galaxien als beobachtet schon seit den 50er Jahren des 20. Jahrhunderts. Die Dopplerverschiebung der Absorptions- und Emissionslinien von Wasserstoffregionen geben Auskunft über Rotationsrichtung und Rotationsgeschwindigkeit in Abhängigkeit der Entfernung zur Rotationsachse einer Galaxie. ROTATIONSKURVE einer Galaxie PDFMAILER.COM Print and send PDF files as Emails with any application, ad-sponsored and free of charge www.pdfmailer.com Schon 1939 hat Babcock H. W. Radialgeschwindigkeitsmessungen an HII Regionen der Andromeda Galaxie durchgeführt. Zu Beginn der 70er Jahre konnte man mittels Radioteleskopen die HI Regionen von Galaxien auf ihre Rotationsgeschwindigkeit hin untersuchen. Meist wird die 21-cm Linie des HI (Wasserstoff im neutralen Zustand) untersucht. Aus der Dynamik einer Galaxie ist deren Masse bestimmbar, daher Rotationskurven ideal zur Massenbestimmung von Galaxien. PDFMAILER.COM Print and send PDF files as Emails with any application, ad-sponsored and free of charge www.pdfmailer.com Gleichgerichtete Rotation aller galaktischen Komponenten nur bei Spiralgalaxien bisher beobachtet. Daher Hauptaugenmerk der Rotationskurvenforschung auf Spiralsysteme – dort kann man aus Rotationskurve Aussagen über Masse und einzelne Komponenten der Spiralgalaxie machen. PDFMAILER.COM Print and send PDF files as Emails with any application, ad-sponsored and free of charge www.pdfmailer.com Andromeda M31=NGC224 Entfernung ~700 kpc Begleitergalaxie NGC221 Begleitergalaxie NGC205 PDFMAILER.COM Print and send PDF files as Emails with any application, ad-sponsored and free of charge www.pdfmailer.com Wir erwarten im wesentlichen für die Bahn der Materie um das Rotationszentrum einer Galaxie Keplerbahnen, wie in unserem Planetensystem. Berechtigte Annahme: Die Dynamik der Materie auf galaktischen Skalen lässt sich mit den gleichen physikalischen Modellen beschreiben wie im Sonnensystem und auf der Erde. PDFMAILER.COM Print and send PDF files as Emails with any application, ad-sponsored and free of charge www.pdfmailer.com PDFMAILER.COM Print and send PDF files as Emails with any application, ad-sponsored and free of charge www.pdfmailer.com Dilemma: Beobachten Rotationskurven, die mit beobachteter Materieverteilung nicht vereinbar ist. Ausweg: Wenn Theorie für Gravitationswechselwirkung auf galaktischen Maßstäben stimmt, dann muss es sehr viel mehr Materie außerhalb der Galaxien geben, die Rotationskurve nicht abflachen lässt. DUNKLE MATERIE PDFMAILER.COM Print and send PDF files as Emails with any application, ad-sponsored and free of charge www.pdfmailer.com Definition: Materie heißt dunkel, wenn auf ihre Existenz nur indirekt über ihre Wechselwirkung mit sichtbaren Objekten geschlossen wird. Was für Massenverteilungen würde nun die Rotationskurven von Spiralgalaxien erklären? Zentralgebiet „Bulge“ Wenig abgeplatteter Sphäroid M31 r ~ 7 kpc Flächendichte: 103 bis 104 M€/ pc2 PDFMAILER.COM Print and send PDF files as Emails with any application, ad-sponsored and free of charge www.pdfmailer.com Definition: Materie heißt dunkel, wenn auf ihre Existenz nur indirekt über ihre Wechselwirkung mit sichtbaren Objekten geschlossen wird. Was für Massenverteilungen würde nun die Rotationskurven von Spiralgalaxien erklären? Zentralgebiet „Bulge“ Wenig abgeplatteter Sphäroid M31 r ~ 7 kpc Dichte: 103 bis 104 M€/ pc2 Scheibe M 31 r ~ 30 kpc Dichte: < 10 M€/ pc2 PDFMAILER.COM Print and send PDF files as Emails with any application, ad-sponsored and free of charge www.pdfmailer.com Definition: Materie heißt dunkel, wenn auf ihre Existenz nur indirekt über ihre Wechselwirkung mit sichtbaren Objekten geschlossen wird. Was für Massenverteilungen würde nun die Rotationskurven von Spiralgalaxien erklären? Kugelsternhaufen 104 bis 106 M€ Zentralgebiet „Bulge“ Wenig abgeplatteter Sphäroid M31 r ~ 7 kpc Dichte: 103 bis 104 M€/ pc2 Scheibe M 31 r ~ 30 kpc Dichte: < 10 M€/ pc2 PDFMAILER.COM Print and send PDF files as Emails with any application, ad-sponsored and free of charge www.pdfmailer.com PDFMAILER.COM Print and send PDF files as Emails with any application, ad-sponsored and free of charge www.pdfmailer.com Weit außen (bei M31 ab 16 kpc) Keplerbahnen erwartet, werden aber nicht beobachtet. Folgerung: kugelsymmetrischer Halo (bei M31 r~60 kpc) mit über 10 mal so viel Materie wie direkt beobachtet. 1. Schritt: was für baryonische Dunkle Materie könnte im Halo sein? Suche nach MACHOs – Massive Compact Halo Objects PDFMAILER.COM Print and send PDF files as Emails with any application, ad-sponsored and free of charge www.pdfmailer.com Was für Objekte könnten für MACHOs in Frage kommen? • Weiße Zwerge • substellare Objekte wie Jupiter – Braune Zwerge • Kleine Festkörper • Schwarze Löcher, Neutronensterne PDFMAILER.COM Print and send PDF files as Emails with any application, ad-sponsored and free of charge www.pdfmailer.com Weiße Zwerge Endstadium der Sternentwicklung für M < 1.44 M€ Zustandsgrößen: Kleinen Radius R~0.013 R€ (Radius Erde R~0.0092 R€) Extrem hohe Dichte 105…106 g/cm3 (mittlere Dichte der Sonne 1.41 g/cm3) Absolute Helligkeiten: Mv=8…16M (je nach Stadium) (Sonne Mv=4M.87) (Helligkeit die ein Stern in ‚‘Einheitsentfernung‘ von 10 pc haben würde) Weiße Zwerge kühlen aus, da keine Kernenergie verfügbar ist (völlige Auskühlung nach ~1010 a darum Mv so großer Schwankung unterworfen. Wegen der geringen Helligkeit nur bis einige 100 pc beobachtbar! Weiße Zwerge wären im galaktischen HALO mit heutigen Teleskopen nicht direkt beobachtbar DUNKLE MATERIE PDFMAILER.COM Print and send PDF files as Emails with any application, ad-sponsored and free of charge www.pdfmailer.com Weiße Zwerge Beobachtete räumliche Dichte von weißen Zwergen in unserer Galaxie: Mv<15M ~ 4 10-3 / pc3 Aus Beobachtung (direkt zugängliche galaktische Komponenten wie Sterne, Gas, Staub) Gesamtmasse der Milchstraße ~ 2 1011 M€ um Rotationskurve zu erklären wäre ein Halo mit Æ ~60 kpc und 1…2 1012 M€ notwenig. PDFMAILER.COM Print and send PDF files as Emails with any application, ad-sponsored and free of charge www.pdfmailer.com Weiße Zwerge Können weiße Zwerge alleine dafür in Frage kommen? Mv<15M ~ 4 10-3 / pc3 V(r=30kpc)=1.13 1014 pc3 •Näherung: Dichte der Weißen Zwerge über Halo konstant (gibt maximale Grenze) Masse aus allen Weißen Zwergen (alle Weiße Zwerge haben M~1 M€) M(WZ)=4.5 1011 M€ Im (unrealistischen) besten Fall bestünde der Halo zu ~ 20% aus WZ Unter realistischen Annahmen kann der Halo nur zu 4,5 % aus Weißen Zwergen bestehen. PDFMAILER.COM Print and send PDF files as Emails with any application, ad-sponsored and free of charge www.pdfmailer.com Braune Zwerge Massen unter 0.1 M€ haben nicht genug Masse um im Inneren Wassertoffbrennen zu initiieren Braune (Schwarze) Zwerge In ihrem Aufbau ähneln sie sehr den Riesenplaneten, wie Jupiter, deshalb auch oft die Bezeichnung Jupiters in der Literatur. Im Sternentstehungsgebiet r Ophiuchi sind 30 braune Sterne nachgewiesen worden. Hier Komposit aus 7.7 mm und 14.5 mm. Pfeile deuten auf sichtbare Braune Zwerge (ca. 50 Jupitermassen). Erst wenige 100 Braune Zwerge bekannt. Kommen in Sternhaufen und auch frei im Raum vor. PDFMAILER.COM Print and send PDF files as Emails with any application, ad-sponsored and free of charge www.pdfmailer.com Braune Zwerge Im Jahr 2000 untersuchten zwei Gruppen mit Hilfe des HST den jungen Sternhaufen IC 348 (ca. 306 pc entfernt) und den Bereich der Trapez Sterne (Orion Nebel ca. 460 pc entfernt). Trapez Sternhaufen links im sichtbaren Spektralbereich, rechts im nahen Infrarot bei 1.1 und 1.6 mm. Bei den lichtschwächsten Objekten handelt es sich überwiegend um Braune Zwerge. PDFMAILER.COM Print and send PDF files as Emails with any application, ad-sponsored and free of charge www.pdfmailer.com Braune Zwerge Die Untersuchungen ergaben, dass es weit mehr Braune Zwerge gibt als erwartet. Als Hauptkandidaten für Dunkle Materie scheiden sie aus. Aus Stellarstatistik mit neuen Daten kommt man auf ~0.1 % Braune Zwerge in der Dunklen Materie. Kleine Festkörper Starke galaktische Konzentration Halbwertsbreite (Extinktion auf 1/e abgesunken) ~ 40 pc Natur des Materials: • ‚schmutziges Eis‘ H2O mit CH4 und NH3 • Graphit •Polyoxymethyle, Silikon Carbit SiC, Fe, Magentit Fe3O4, Silikate (Fe,Mg)SiO3, Silikon Dioxyd SiO4, Olivine (Fe,Mg)2SiO4 Olivin Fe2SiO4 PDFMAILER.COM Print and send PDF files as Emails with any application, ad-sponsored and free of charge www.pdfmailer.com Kleine Festkörper Diese Körper sind aus Elementen mit höheren Ordnungszahlen aufgebaut. Sie können nur von früheren Sternen kommen. Deren Masse kann aber nach den Modellen der Sternentstehung, deren Brauchbarkeit sich durch gute Übereinstimmung zwischen postulierter und gemessener Nuklidverteilung ergibt, nur in der Größenordnung von 1 % bis 2 % der Wasserstoffmasse im Universum liegen und ist deshalb vernachlässigbar als Faktor der Dunklen Materie. Neutronensterne / Schwarze Löcher Neutronensterne (zum Beispiel Überreste von Supernovae Explosionen) haben Massen von 0.4 bis 3 M€ bei einem Radius von ~ 20 km. Nicht direkt beobachtbar im Halo. Schwarze Löcher Stern mit Masse über 8 bis 10 M€ und etwa 20-30% Massenverlust über sein Sternleben hinweg kollabiert zu Schwarzen Loch mit Massen über 1.8 M€ PDFMAILER.COM Print and send PDF files as Emails with any application, ad-sponsored and free of charge www.pdfmailer.com Neutronensterne / Schwarze Löcher Neutronensterne im Halo schwer direkt beobachtbar, daher Anzahl im Halo nur aus Stellarstatistik mit hohem Unsicherheitsfaktor. Schwarze Löcher könnte man durch heiße Gase in Ihrer Umgebung (Röntgenemission) nachweisen, dazu muss aber erst einmal Gas in ihrer Nähe sein – im Halo derart hohe Gaskonzentrationen nicht beobachtet. Ist der Halo aus MACHOs aufgebaut? realistische Annahmen 45% Weiße Zwerge bestens 20 % Braune Zwerge ~ 0.1% Kleine Festkörper maximal 1 - 2% Neutronensterne vielleicht 5 - 10% spekulativ Schwarze Löcher vielleicht 5 - 10% spekulativ Könnte also ungefähr die Hälfte der DM im galaktischen Halo durch MACHOs erklären PDFMAILER.COM Print and send PDF files as Emails with any application, ad-sponsored and free of charge www.pdfmailer.com Vielleicht besteht der Halo sogar zu 100% aus MACHOs – brauchen Nachweismöglichkeit PDFMAILER.COM Print and send PDF files as Emails with any application, ad-sponsored and free of charge www.pdfmailer.com Vielleicht besteht der Halo sogar zu 100% aus MACHOs – brauchen Nachweismöglichkeit Im Jahr 1986 schlug Bodhan Pacynski vor, mittels des Mikrolinseneffekts den Halo nach MACHOs zu durchsuchen. MACHO Projekt Start 1992 PDFMAILER.COM Print and send PDF files as Emails with any application, ad-sponsored and free of charge www.pdfmailer.com Gravitationslinseneffekt - Microlensing PDFMAILER.COM Print and send PDF files as Emails with any application, ad-sponsored and free of charge www.pdfmailer.com Gravitationslinseneffekt - Microlensing HST Aufnahme Q0957+561, die beiden Bilder des selben Quasars sind im Abstand von 6 Bogensekunden zu sehen. Als Linse agiert eine massereiche Galaxie. PDFMAILER.COM Print and send PDF files as Emails with any application, ad-sponsored and free of charge www.pdfmailer.com Gravitationslinseneffekt - Microlensing Ablenkung RS GM ϑ=2 =4 2 a ac J…..Winkel, um den ein Lichtstrahl an punktförmiger Masse M (linse)abgelenkt wird RS...Schwarzschildradius M….Masse der Linse a…..Abstand des Lichtstrahls zur Linse Für Braune Zwerge im galaktischen Halo ergibt das Millibogensekunden, jenseits jedes Auflösungsvermögens der größten optischen Teleskope. Zweiter Effekt ist die Verstärkung der Quelle. Dadurch möglich MACHOs, wie braune Zwerge, zu detektieren. PDFMAILER.COM Print and send PDF files as Emails with any application, ad-sponsored and free of charge www.pdfmailer.com Gravitationslinseneffekt - Microlensing Geschwindigkeiten der Haloobjekte bis zu 200 km/s. Sterne in der LMC werden bei Vorhandensein eines Halos aus MACHOs mit gewisser Wahrscheinlichkeit verstärkt. PDFMAILER.COM Print and send PDF files as Emails with any application, ad-sponsored and free of charge www.pdfmailer.com Gravitationslinseneffekt - Microlensing PDFMAILER.COM Print and send PDF files as Emails with any application, ad-sponsored and free of charge www.pdfmailer.com Gravitationslinseneffekt - Microlensing LMC Mit 2.2 m Teleskop erfasst man gleichzeitig Helligkeit von 500.000 Sterne (pro Feld 5 min. Belichtungszeit) – zum nächsten Feld – in einer Nacht bis zu 20 106 Sterne. Nächste Nacht wieder derselbe Bereich und Vergleich der Helligkeiten PDFMAILER.COM Print and send PDF files as Emails with any application, ad-sponsored and free of charge www.pdfmailer.com Gravitationslinseneffekt - Microlensing Bedingung an Microlensing 1. Lichtkurve muss achromatisch sein – Verlauf und maximale Verstärkung müssen in allen Farbbereichen gleich sein. 2. Lichtkurve muss symmetrisch sein 3. Ereignis darf sich nicht wiederholen (Gefahr der Verwechslung mit veränderlichen Stern) Ergebnisse: Bis heute 17 Ereignisse in Richtung LMC, wobei noch immer nicht eindeutig geklärt wurde, ob Linsen im Halo oder in der LMC selbst. Aus dieser Anzahl ist eine Obergrenze für den MACHO - Anteil am Halo ableitbar. Maximal 20% des Halos können MACHOs sein PDFMAILER.COM Print and send PDF files as Emails with any application, ad-sponsored and free of charge www.pdfmailer.com MOND Modified Newtonian Dynamics 1983 Milgrom M. ApJ 270 p.365 A MODIFICATION OF THE NEWTONIAN DYNAMICS AS A POSSIBLE ALTERNATIVE TO THE HIDDEN MASS HYPOTHESIS r r r r F = ma → F = mµ a a µ = µ a0 a a µ >> 1 ≈ 1 µ << 1 ≈ x a0 a0 a0….Beschleunigungskonstante (~2 10-8 cm s-2) Für a>>a0 folgt Newton Für kleine a folgt MOND Parameter anpassen bis beobachtete Rotationskurven folgen. PDFMAILER.COM Print and send PDF files as Emails with any application, ad-sponsored and free of charge www.pdfmailer.com MOND Chandra 2000 NGC 720 elliptische Galaxie. Röntgenbild kann mit MOND nicht erklärt werden, denn das Halo Gas müsste demselben Gravitationspotential folgen wie die Sterne auf dem optischen Bild. Ist aber nicht der Fall, also Dunkle Materie
