Galaxien - LSW Heidelberg
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Galaxien Bausteine des Universums Max Camenzind TUDA @ SS2011 Der Virgo-Haufen – 5 x 3 Grad M 86 M 88 M 84 NGC 4477 NGC 4473 M 91 M 87 M 90 M 89 Image: Rogelio Bernal Andreo 16 Mpc entfernt NGC 4438/Augen Der Virgo-Haufen M 84 NGC 4388 M 86 Markarian´s Augen 1,5 x Vollmond Coma-Haufen Bausteine des Universums 100 Mpc entfernt Galaxien Bausteine des Universums Was sind Galaxien ? • Sternsysteme: Kugelsternhaufen (einfache Sternsysteme) – Zwerggalaxien – Ellipsen & Scheibengalaxien • Massen: (106 – 1013) MS • Morphologie der Galaxien Hubble Sequenz, moderne Klassifikationen. • Leuchtkraftfunktion der Galaxien. • Beobachtbare Parameter „FundamentalEbene“ der Galaxien. • Scheibengalaxien und Dunkle Materie • Schwarze Löcher in Galaxienzentren M10 - Kugelsternhaufen (GC) > 100.000 Sterne 47 Tuc - Kugelsternhaufen Aufnahme: 20” Cassegrain / 4 kpc entfernt Radiale Profile Kugelsternhaufen „Isotherme Sphären“ Core ~ r-2 CoreRadius Rc Die Flächenhelligkeit Dominante Massenverteilung IV (R) 10mag / sec2 R 2 R 8 Gezeitenradius logR[min] Core-Radius: Flächenhelligkeit (rc ) 0.5(r 0) FarbenHelligkeitsDiagramm (CMD) der GCs Wichtig für Kosmologie Altersbestimmung Warum sind Kugelsternhaufen stabil? • Gravitation der Sterne muss durch Druck ausgeglichen werden. • Stochastische Bewegung der Sterne erzeugt einen Druck: P = r s² (s. Jeans-Glg) Sterndichte aus Flächenhelligkeit Isotherme Modelle Geschwindigkeitsdispersion der Sterne ~ 10 - 15 km/s aus Linienbreite Isotherme Sphären Hydrostatisches Gleichgewicht: Nochmaliges ableiten Asymptotisch r >> Rc: Relaxation von Sternsystemen Frage: Auf welcher Zeitskala erleiden Sterne im System signifikante Stöße ? Anzahl Wechselwirkungen im System mit Radius R und Anzahl Sterne N aus W´keit P für Stoß mit 1 Stern: Mittlere Geschwindigkeitsänderungen heben sich auf, jedoch nicht die Varianz: Verwende Virial-Satz: 2T = -Vpot mittlere Geschw. v; große Ablenkungen selten! Mittlere Ablenkung für einen Durchgang durchs System: Relaxation erfolgt, falls d.h. wir benötigen Nrelax Sterndurchgänge Nrelax = N / 8 ln(N) Relaxationszeit definiert als Abschätzung Relaxationszeit Mittelung über Maxwell-Verteilung Relaxationszeit von Sternsystemen Galaxien komplexe Sternsysteme Scheibe Elliptisches Sternsystem Elliptische Galaxien – quasi-rund Elliptische Galaxien: Ähnlich zu KugelsternHaufen – weisen auch Core-Halo Struktur auf – jedoch nicht isotherme Sternverteilung Dichte fällt sehr schnell ab. M 87 Zentralgalaxie Virgo-Haufen Ellipse E1 1000 Mia MS Spektrum einer E Galaxie dominiert durch massearme Sterne kein UV keine A, B, O Sterne TiO Banden M Zwerge Nicht viel Emission im Blauen! Helligkeitsprofile R1/4 Gesetz, n=4 (de Vaucouleurs) 2 Typen von E Galaxien: Core und Cuspy Ellipsen CoreRadius Rc Core Andromeda Galaxie M 31 typische Scheibengalaxie ~ 100 Mrd. Sterne Andromeda / Spitzer Staub Scheiben rotieren maximal geometrisch dünn aus 21 cm H Masse rotiert von uns weg Bulge Sphäroid rotiert auf uns zu 21 cm Wasserstoff-Linie Vera Rubin M 31 – Profil & Rotation konstant ! R1/4 Bulge Expo Scheibe Sombrero M 104 [HST] S0 = Scheibe + Ellipse Staub Sterne NGC 1700 S0 Galaxie Seitenaufsicht Galaxien Galerie / Zolt Frei (Princeton) Die Hubble-Sequenz 1926 • 1923 entdeckt Hubble (1889-1953), dass der „Spiralnebel“ Andromeda nicht zu unserer Galaxis gehört und eine eigene Galaxie bildet (durch Vermessen von Cepheiden). • Um die neu entdeckten Objekte klassifizieren zu können, entwickelt Hubble 1926 die bis heute bekannte „Hubble-Sequenz“ . • Sie ist heute noch gültig. Blue Sequence Red Sequence Die Hubble-Sequenz 1 • Prinzipiell 3 große Kategorien: – Elliptische Galaxien rotationssymmetrischer Gestalt E0 – E7 • E0 – kreis rund; E7 – stark elliptisch – Spiralgalaxien mit symmetrischen Spiralarmen • werden weiter unterschieden in: Sa, Sb, Sc, Sm mit zentraler Verdichtung; SBa, SBb, SBc, SBm mit Balken („barred“) – Irreguläre Galaxien Irr ohne Symmetrien (Magellansche Wolken) Die Hubble-Sequenz 2 • Hubble Sequenz wurde vielfach verfeinert und angepasst. – Hubble selbst versuchte 1936 den Übergang von E zu S flüssiger zu gestalten und fügte die Linsengalaxien S0 („S Null“) hinzu. – die Sd, Sm, Im, SBd, SBm, IBm wurden von G. de Vaucouleurs (1918-1995) hinzugefügt. – [ Sandage (geb. 1926) führte im „Hubble Atlas of Galaxies“ einen Suffix für den Ursprung der Spiralarme ein; s - Zentralgebiet; r - extra Ring ] Die Hubble-Sequenz 3 • Nachteile – abhängig von Projektionseffekten. – wird von persönlicher Überzeugung des Beobachters beeinflusst. – z.B. LMC erscheint aufgrund der vielen, von Gaswolken umgebenen blauen Sterne besonders unregelmäßig. – die Erweiterung um S0 passt nicht mit Beobachtungen der Helligkeit überein. Hubble Sequenz – offene Fragen • In wie weit kann die Hubble-Sequenz als Entwicklungsdiagramm verstanden werden? • nein !!!! • Durch welche Parameter kann die HubbleSequenz charakterisiert und damit unabhängig vom Betrachter werden? • Gibt es alternative Klassifikationen? - ja Beobachtete Eigenschaften verschiedener Galaxien • in elliptischen Galaxien beobachtet man: – rote, alte Sternenpopulationen – wenig Gas und Staub (mit sehr hohen Temperaturen ~ 107 K, ionisiert, Röntgengas) • in Spiralgalaxien beobachtet man: – je ‚später„, desto mehr junge, massive Sterne – im Zentrum röter (also älter) als in den Spiralarmen bei niedrigerem Gasgehalt Komponenten einer Galaxie Die Komponenten einer Scheiben-Galaxie Halo Dunkler Materie und Sterne Stellare Scheibe Lage der Sonne Typische Distanzen Bulge GasScheibe Konstante Rotation ist generisch Nukleus • Bulge • Scheibe • Halo Masse einer Scheibengalaxie Halo aus Dunkler Materie M(<r) = V²Rot r / G Halo-Modelle aus Rotations-Kurven von Stern- oder Gasscheiben • Dark Matter Halo: – Welche Form? – Isotherme Modelle r (r) r0 1 ( r / rc )2 ergeben Rotationskurve rc r vhalo ( r ) 4Gr r 1 arctan r rc 2 0 c – Simulationen NFW Profile CDM Simulationen: NFW-Profile • Detaillierte Simulationen von CDM Halos finden, dass die Dichteprofile “steeply cusped” (Kuspen) sind, mit Massendichte im Zentralbereich des Halos ~ r-a, a=1 (Navarro, Frenk & White 1996, 1997) Allgemeine Form NFW Profil: a=1 r (r) rs ( r / rs )[1 ( r / rs )] 2 r (r) rs ( r / rs )a [1 ( r / rs )]3a • Dunkle Materie (CDM) bildet Halos auf allen Skalen – von Mondmasse bis zu 1015 Sonnen. • von Zwerggalaxien bis Galaxienhaufen ? Morphologie - Sb Galaxien „Grand Design“ Spirale (Sc) 2 Spiralarme Morphologie - SB Galaxien - SBa Morphologie - SBb Galaxien NGC 1300 HST Balkenspirale Morphologie - SBc Galaxien Morphologie - Irreguläre Galaxien – LMC / SMC Panorama Milchstraße & LMC & SMC ESO Paranal Zwerg-Galaxien • • • • Geringe Leuchtkraft: 106 – 109 L Geringe Masse: 107 – 1010 M Geringe Ausdehnung, ~ einige kpc Geringe Flächenhelligkeit schwierig mit Teleskopen zu finden! • Sind in der Anzahl jedoch dominant! • Dominieren die Leuchtkraftfunktion der Galaxien in Haufen. Zwerg-Galaxien Typen • Verschiedene Typen von Zwerg-Galaxien: – Zwerg-Ellipsen (dE): Note that these are structurally very different from luminous E‟s. Gas-poor, old stellar population. Note that many dE‟s have nuclei (dE,N). – Zwerg-Sphäroide (dSph): Gas-arme, diffuse Systeme. Low luminosity (low surface brightness end of dE‟s). – Zwerg-Irreguläre (dIrr): Extreme end of late type spirals. Active, on-going star-formation but low surface brightness (like dSph‟s). Gas-rich. Note that there are no dwarf spirals!! • Gibt es Verwandtschaften zwischen dE‟s and dIrr‟s ?? Treten als Begleiter auf M31: Sb M32 (cE): kompakte Ellipse NGC205 (dE) Leo I - dSph Pegasus - dSph Sagittarius dwarf, shredded by the Milky Way Majewski et al. 2003 Canis Major, shredded by the Milky Way Ibata et al. 2003, nearest galaxy to MW, just discovered! Dichtefluktuationen im Frühen Universum Galaxienbildung Galaxien entstehen aus primordialen Dichtefluktuationen, die kurz nach dem Big Bang entstehen, in der Inflation anwachsen und im CMB sichtbar. Diese Dichtefluktuationen bilden Filamente, Galaxien entstehen in Knoten längs den Filamenten. Zur Bildung einer Spiralgalaxie Gas hat viel Drehimpuls ~ Sternbildung CDM Halo Elliptische Galaxien aus Merger Bildung nur via Mergers ? • In Galaxienhaufen ist die Kollisionswahrscheinlichkeit nicht gering. • Dadurch werden Galaxien gestört und können sogar “mergen”. • Mergers führen häufig zu giant elliptischen Galaxien (sog. cD) im Zentrum von reichen Galaxienhaufen (Virgo, Coma). • Durch Merging von S-Galaxien entstehen E‟s. Werden alle E‟s durch Merger gebildet? – wohl kaum! Spiralen begegnen sich Merger - Antennen Galaxien Merger - Simulation Merger – Arp 273 d = 100 Mpc Stellare Geburtsrate in Galaxien E Sb Stellare Geburtsrate in Galaxien • da E„s keine Scheiben und alte SternenPopulationen haben, muss Gas fast vollständig während des Kollaps (tc ≈ 109 Jahre) aufgebraucht worden sein. • allein mit dieser einen Annahme folgt, dass die IBR (= „interstellar birth rate“) in den ersten Jahren, je nach Annahme der Zeit tc, bis zu 50 mal größer als die aktuelle IBR ist. Stellare Geburtsrate in Galaxien • anders bei SO Galaxien – da Sterne jünger, muss Gas übrig geblieben sein, aus dem sich Sterne bilden konnten. – heute keine Sternentstehung, kaum Gas. – da sich dichter Bulge im Zentrum bilden konnte, liegt die Vermutung nahe, dass SFR für t< tc nur unwesentlich geringer war als bei E. – für t> tc muss SFR höher als bei den E-Typen gelegen haben, das restliche Gas wurde innherhalb von wenigen 109Jahren verbraucht. Stellare Geburtsrate in Galaxien Verteilung Flächenhelligkeit DWARFS GIANTS Leuchtkraftfunktion Feld – dominiert von Spiralgalaxien und dIrr Haufen – viel mehr E/S0 Galaxien, schwache dE, viel mehr Zwerggalaxien Damit treten in Haufen häufiger Merger auf. Bingelli (1988) Leuchtkraftfunktion der Galaxien • Schechter Funktion: gilt allgemein für Galaxien Power-Law slope a Log((L)) * Exponential Cut-off L* Log (Luminosity) a L L dL d L * exp L* L* L* Leuchtkraftfunktion der Galaxien im SDSS Masse Dunkle Materie: ? 1012 MS 1010 MS 108 MS 107 MS Fundamental-Ebene der Galaxien • 3 Messbare Größen: • (i) Effektiv-Radius Re (Halblichtradius) oder Core-Radius Rc • (ii) Zentrale Flächenhelligkeit me • (iii) Geschwindigkeitsdispersion s • Frage: Gibt es Korrelationen ? • „Fundamental-Ebene“ der Galaxien Kormendy Relation aus SDSS Galaxien-Sequenzen Fundamental-Ebene Eigenschaften der FP • Sequenz der Kugelsternhaufen liegen Vförmig zur Sequenz der Elliptischen Galaxien (E„s). • Bulges bilden die Fortsetzung der E„s. • Effektiv-Radius der E„s und S0„s korreliert mit der Geschwindigkeitsdispersion und der zentralen Flächenhelligkeit (Kormendy Relation) muß erklärt werden log(Re) = 1,20 log(s) + 0,32 log(me) – 8,70 Masse-Leuchtkraft Verhältnis Massereiche Ellipsen durch M-Zwerge dominiert 100 Milliarden Schwarze Löcher in Galaxienzentren • Jede Galaxie beherbergt ein Schwarzes Loch in ihrem Zentrum ~ 0,2% der Bulge-Masse. • Unsere Milchstraße: speziell 4,3 Mio Sonnenmassen; • Andromeda: 100 Mio. Sonnenmassen; • Messier 32: 2,5 Mio. Sonnenmassen; • Messier 87: 6 Mrd. Sonnenmassen; • Quasare: weit entfernte aktive Galaxien 100 Mio. – 10 Mrd. Sonnenmassen. Sombrero und das SL 1 Mrd. Sonnenmassen In ~ 50 benachbarten Galaxien Massen der SL vermessen, jedoch nicht den Spin a: Massen von 1 Mio – 10 Mrd Sonnen MH ~ s4 Magorrian Relation Camenzind 2007 Zusammenfassung • Kugelsternhaufen (GCs) sind die einfachsten Sternsysteme, ~100.000 Sterne, isotherme Dichteverteilung, kosmologisch wichtig. • Relaxationszeit entscheidet über stoß-dominiert vs stoßfrei; GCs nicht stoßfrei, E„s sind stoßfrei! • Elliptische Galaxien ähnlich zu GCs, jedoch stoßfrei, haben deVaucouleurs Helligkeitsverteilung. • Hubble-Sequenz immer noch gültig, jedoch im frühen Universum viele Zwerggalaxien und Irreguläre. • Leuchtkraftfunktion ist Schechter-artig, nicht global globale LF noch nicht bekannt. Gunn-Filter Profile Galaxien Farb-Sequenzen
