Kosmologische Entwicklung Supermassiver Schwarzer Löcher

Kosmologie
Supermassive Schwarze Löcher
Extragalaktische Beobachtungen
Ergebnisse
Ausblicke
Kosmologische Entwicklung Supermassiver
Schwarzer Löcher
Cornelia Müller
2. Februar 2009
Cornelia Müller
Kosmologische Entwicklung Supermassiver Schwarzer Löcher
Quellen
Kosmologie
Supermassive Schwarze Löcher
Extragalaktische Beobachtungen
Übersicht
1
Kosmologie
2
Supermassive Schwarze Löcher
3
Extragalaktische Beobachtungen
4
Ergebnisse
5
Ausblicke
6
Quellen
Cornelia Müller
Kosmologische Entwicklung Supermassiver Schwarzer Löcher
Ergebnisse
Ausblicke
Quellen
Kosmologie
Supermassive Schwarze Löcher
Extragalaktische Beobachtungen
Ergebnisse
Ausblicke
Kosmologisches Prinzip
Kosmologisches Prinzip
Grundannahmen der Kosmologie und Grundlage der einfachsten
Weltmodelle, d.h. der Lösungen der ART:
Isotropie
Das Universum ist auf groÿen Skalen isotrop.
Homogenität
Kein Punkt im Universum ist ausgezeichnet. Das Weltall ist
auf groÿen Skalen von jedem Punkt aus gleichförmig.
→ 'groÿe Skala' entspricht Ausdehnungen von ca. 100 Mpc, dem
mittleren Abstand von Superhaufen
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Extragalaktische Beobachtungen
Ergebnisse
Ausblicke
Expandierendes Universum
Hubble-Expansion
E. Hubble beobachtete Galaxienucht und formulierte 1929 das
'Hubble-Gesetz': v = cz = H0 D
Hubblekonstante H0 beschreibt Expansionsrate zum heutigen
Zeitpunkt: H0 = 73km/s/Mpc
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Extragalaktische Beobachtungen
Ergebnisse
Expandierendes Universum
Friedmann-Lemaître-Expansionsgleichungen
A. Friedmann (1922) und G. Lemaître
(1927)
→ theoretische Beschreibung der
Entwicklung des Universums
→ Anwendung des kosmologischen Prinzips
in ART ⇒ Bewegungsgleichungen für den
Skalenfaktor a(t ):
ȧ
a
2
=
8π G
Kc 2 Λ
ρ− 2 +
3
a
3
(ρ bezeichnet Energiedichte, G die
Gravitationskonstante, K den
Krümmungsparameter und Λ die kosmologische
Konstante)
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Quellen
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Extragalaktische Beobachtungen
Ergebnisse
Ausblicke
Expandierendes Universum
Hubble-Parameter und Skalenfaktor
Hubble-Konstante keine echte Konstante sondern zeitabhängig!
relative Expansion wird durch den Skalenfaktor a(t )
beschrieben: r (t ) = a(t )x mit a(t0 = heute ) = 1
(r (t ) ist die physikalische, x die mitbewegte Koordinate)
Hubble-Parameter beschreibt Expansionsrate
H (t ) = aȧ((tt ))
H variiert in kosmologischen Zeiträumen
Inverse von H (t ) wird als Hubble-Zeit bezeichnet: H0 −1 = 13.7 · 109 a (nicht
gleich dem Weltalter, gibt nur Obergrenze an!)
Der Hubble-Radius gibt charakteristische Gröÿe des beobachtbaren Universums
an: RH = Hc0 ≈ 3972Mpc
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Extragalaktische Beobachtungen
Ergebnisse
Ausblicke
Expandierendes Universum
Kosmische Rotverschiebung
Denition Rotverschiebung:
− λ0
z = λbeobachtet
λ
0
⇔1+z =
λobs
λe
→ kosmologische Rotverschiebung auf Grund der Expansion des
Univerums, KEIN kinematischer Dopplereekt!
Hubble-Gesetz ⇒ z entspricht Entfernung
Def. Skalenfaktor ⇒ λe = a(te )λobs ⇒ 1 + z = a(1t )
=⇒ Skalenfaktor a, Zeit t und Rotverschiebung z sind gleich gute
Maÿe für die Entfernung einer Quelle von uns!
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Ergebnisse
Ausblicke
Quellen
ΛCDM-Modell
Λ-Cold-Dark-Matter-Modell
ΛCDM-Modell ist das erfolgreichste kosmologische Modell
Λ =kosmologische Konstante ↔ dunkle Energie, beschleunigte Expansion
Grundlage: Friedmann-Weltmodelle, Verteilung
Dunkler/baryonische Materie ↔ Strukturbildungsmodell in
Übereinstimmung mit Urknall-Theorie
Annahmen: aches Universum, Ination
Vorhersage des hierarchischen Wachstums durch Ausbildung
von Dichteuktuationen (Potentialtöpfe)
Halos von CDM bilden sich zuerst, Gas 'folgt' DM ⇒
Anwachsen von gröÿeren Strukturen und
Verschmelzungsprozesse ('bottom-up'-Szenario)
stimmt mit vielen Beobachtungen überein (Fluktuationen des
CMB, Expansion, groÿräumige Strukturen)
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Ergebnisse
Ausblicke
ΛCDM-Modell
Millennium-Simulation
bisher gröÿte N-Teilchen-Simulation der Strukturbildung
basierend auf ΛCDM-Modell
detaillierte Simulation des Anwachsens kosmischer Strukturen
und der Entstehung von Galaxien und SMBHs
N = 1010 Teilchen mit jeweils einer Masse M = 109 M
Entwicklung der Materieverteilung in einem Ausschnitt des
Universums (Würfel mit Kantenlänge 700Mpc)
Rekonstruktion der Entwicklungsgeschichte von 2 Millionen
Galaxien und AGNs
bestätigt Beobachtungen: z.B. Bildung von SMBH im frühen
Universum (z > 6)
Cornelia Müller
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Extragalaktische Beobachtungen
Ergebnisse
Ausblicke
ΛCDM-Modell
Millennium-Simulation
Korrespondierende groÿräumige Verteilung des Lichts (rechts) und
der Dunklen Materie (links):
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Extragalaktische Beobachtungen
Ergebnisse
Ausblicke
Schwarze Löcher
Schwarze Löcher
Ein schwarzes Loch ist ein kompaktes Raumgebiet, in dem die
Gravitation so stark ist, dass nicht einmal elektromagnetische
Wellen aus dem Ereignishorizont entweichen können.
formell: Vakuumlösung der
ART ergibt physikalische
Singularität (Krümmung
der Raumzeit wird
unendlich) ⇒
Schwarzschild-Radius
RS = GM
c2
Cornelia Müller
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Extragalaktische Beobachtungen
Ergebnisse
Ausblicke
Quellen
Schwarze Löcher
Supermassive Schwarze Löcher (SMBH)
Klassikation nach Masse → MSMBH ≈ 105 − 109 M
Gröÿe RS ≈ 0.1 − 10AU
Beobachtung von Strahlungsvariabilitäten mancher AGN in der
Gröÿenordnung des Ereignishorizonts eines SMBHs
einzig möglicher Energieerzeugungsmechanismus bei Aktiven
Galaxienkernen (AGN): Akkretion auf ein SMBH
Cornelia Müller
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Extragalaktische Beobachtungen
Ergebnisse
Ausblicke
Aktive Galaxienkerne
AGN-Standardmodell
Abbildung: Centaurus A
Die AGN-Klasse (Quasar und QSO, Seyfertgalaxie, BL-Lac-Objekt,
Radiogalaxie) wird durch den Blickwinkel des Beobachters auf die
Galaxie bestimmt.
Cornelia Müller
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Extragalaktische Beobachtungen
Ergebnisse
Ausblicke
Quellen
Aktive Galaxienkerne
AGN-Spektrum
vielfältiges
Multiwellenlängenspektrum
Spektrum bestimmt AGN-Zoo
Radio ↔ Jets
IR-Bump ↔ thermische
Emission vom Staubtorus
optisch oft dopplerverbreitert
UV ↔ Akkretionsscheibe (Big
Blue Bump)
Röntgen ↔ innerste Akkretion,
Reektions-Bump und
Compton-Bump
Cornelia Müller
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Extragalaktische Beobachtungen
Ergebnisse
Ausblicke
Aktive Galaxienkerne
Eddington-Leuchtkraft
→ diejenige Leuchtkraft, bei der der Strahlungsdruck auf ein
Volumenelement im Akkretionsuss gleich dem Gravitationsdruck
ist (Eddington-Limit)
LEdd =
4π Gmp c
σT
M ≈ 1.3 · 10
44
M
106 · M
erg s−1
⇒ Bestimmung einer unteren Schranke für die Masse
Akkretors aus beobachteter L < LEdd
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M des
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Extragalaktische Beobachtungen
Ergebnisse
Ausblicke
Aktive Galaxienkerne
Eddington-Akkretionsrate
Umsetzung der akkretierten Masse in Strahlung mit Ezienz → Akkretionsrate
Ṁ = L
L
Edd
1.3 · 1044 ergs−1
c
2
M
6
10 · M
≡
L ṁ
Edd
L
Edd
mit der Eddington-Akkretionsrate
ṁEdd = LEdd
c2
⇒ mit ≈ 0.1 ergibt sich für die leuchtkräftigsten QSOs eine
Akkretionsrate von einigen Sonnenmassen M pro Jahr
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Extragalaktische Beobachtungen
Ergebnisse
Ausblicke
Rotverschiebungssurveys
Ziel:
Eigenschaften der groÿräumigen Strukturen (Galaxienhaufen,
Voids) zu erforschen und zu quantizieren, um Informationen über
das kosmische Dichtefeld und dessen Entwicklung zu erhalten
Strategie:
Wahl eines Himmelsausschnitts, Auswahl der Objekte durch
Festlegen einer unteren Grenzhelligkeit
Cornelia Müller
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Extragalaktische Beobachtungen
Ergebnisse
Ausblicke
Chandra Deep Field
bisher tiefstes Röntgensurvey bei 0.5 − 8.0keV
AGN-Suche wesentlich eektiver, da weniger Absorption im
Röntgenbereich ⇒ AGN-Dichte 20× gröÿer als bei optischen Surveys
(z.B. Aufnahme vom HST)
ergänzt mit Chandra Deep Field - South (CDF-S)
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Extragalaktische Beobachtungen
Sloan Digital Sky Survey (SDSS)
2.5m-Teleskop am Apache Point
Observatory (New Mexico)
Durchmusterung eines Viertels des
Himmels
Spektroskopie (mit 5 versch. optischen
Filtern) von Galaxien und QSOs
3D-Karte von mehr als 930000
Galaxien und 12,000 Quasaren
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Ergebnisse
Ausblicke
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Extragalaktische Beobachtungen
Ergebnisse
Ausblicke
Leuchtkraftfunktion
Leuchtkraftfunktion von Quasaren I
QSO-Zählungen (→ einige 1000 AGNs pro Fläche des Vollmondes):
Anzahldichte N (> S ) mit Fluss gröÿer als S
→ Beobachtungen zeigen, für groÿe Flüsse verläuft N ∼ S −2 , für
kleinere ach
→ log N − log S -Plot
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Extragalaktische Beobachtungen
Ergebnisse
Ausblicke
Leuchtkraftfunktion
Leuchtkraftfunktion von Quasaren II
zusammen mit Messung der Rotverschiebung ⇒
Leuchtkraftfunktion Φ(L, z ):
Φ(L, zL)dL ist also Anzahldichte von QSOs im mitbewegten
Volumenelement dL bei z mit Leuchtkraft L ∈ [L, L + dL]
Änderung der L-Abhängigkeit ⇒ charakteristische L∗ (z )
Parametrisierung von Φ(L, z )
Φ∗
Φ(L, z ) = ∗
L (z )
"
L
L∗ (z )
α
+
L
L∗ (z )
β #−1
typische Werte: α ≈ 3.9 und β ≈ 1.5, Normierungsfaktor Φ∗
Cornelia Müller
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Kosmologie
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Extragalaktische Beobachtungen
Ergebnisse
Ausblicke
Quellen
Leuchtkraftfunktion
Leuchtkraftfunktion von Quasaren III
→ Abhängigkeit der L∗ von der
Rotverschiebung ⇒ starke
kosmologische Entwicklung von
Φ(L, z )
→ Zunahme der Anzahldichte mit
wachsender Rotverschiebung
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Extragalaktische Beobachtungen
Ergebnisse
Ausblicke
Leuchtkraftfunktion
Anzahldichte als Funktion von z
→ QSO-Dichte nimmt Maximum bei
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z ≈ 2 an (QSO-Epoche)
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Extragalaktische Beobachtungen
Ergebnisse
Ausblicke
Quellen
Antihierarchisches Wachstum
Antihierarchisches Wachstum
Beobachtung:
Leuchtkräftige AGNs bei gröÿeren
Rotverschiebungen als leuchtschwächere ⇒
Eddingtonleuchtkraft
⇒ antihierarchisches Wachstum (oder
'AGN-downsizing') von SMBHs
→ Phänomen lässt sich mit abnehmender
Akkretionsrate hin zu kleineren
Rotverschiebungen erklären
Cornelia Müller
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Extragalaktische Beobachtungen
Ergebnisse
Ausblicke
Antihierarchisches Wachstum
'Huhn-oder-Ei-Problem'
Was war zuerst da? Galaxie oder Schwarzes Loch?
→ Lösung: wie und wann haben sich Sterne entwickelt?
→ Suche nach jungen (d.h. blauen) Sternen bei groÿen z und
Analyse der Sternenstehungsraten (SFR)
Madau-Diagramm: Dichte der
Sternenstehung ρ als Funktion
von z
→ SFR hat Maximum bei
z ∼ 1 ⇒ die meisten SMBHs
haben sich vor den meisten
Sternen entwickelt
Cornelia Müller
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Extragalaktische Beobachtungen
Ergebnisse
Ausblicke
Quellen
Antihierarchisches Wachstum
Sternenstehung und Merging
Gemeinsame kosmologische Entwicklung von SMBH und
Hostgalaxie:
Merging triggert Sternentstehung
(Starburst)
groÿe Gasmenge ⇒ extreme
Akkretion ⇒ Quasar (→ aktiv!)
bei kleinen z: weniger
Verschmelzungsprozesse ⇒ SMBHs
'hungern'(→ inaktiv!), wie z.B. das
SMBH im Zentrum der Milchstraÿe
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Abbildung: Beispiel: Antennengalaxie
Kosmologie
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Extragalaktische Beobachtungen
Herschel-Weltraumteleskop
Herschel
ursprünglich FIRST (Far Infrared Submillimeter
Telescope)
Start April 2009 zusammen mit Planck (Erforschung
des CMBs)
gröÿtes Weltraumteleskop, 3.5m-Spiegel, bei
55 − 672µm
Orbit um den Lagrangepunkt L2 des
Erde-Sonne-Systems
Auösen der infraroten kosmischen
Hintergrundstrahlung
(→ AGN/Starburst-Beziehung)
Erforschung der Strukturbildung und Entwicklung
des 'kalten' Universums
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Ausblicke
Quellen
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Extragalaktische Beobachtungen
James Webb Space Telescope
James Webb Space Telescope (JWST)
Weltraum-IR-Teleskop, 6.5m-Spiegel
Start 2013, Kooperation NASA, ESA,
CSA
Empndlichkeitsbereich: 0.6 − 28µm
Verfälschung der Beobachtungen durch
Wärmestrahlung von Instrumenten, Erde
und Sonne ⇒ mehrlagiges Sonnenschild
Orbit um den Lagrangepunkt L2
Aufgaben: Suche nach ersten Sternen und
Galaxien nach dem Urknall, Erforschung
der Strukturbildung
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Ausblicke
Quellen
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Supermassive Schwarze Löcher
eRosita
e
A
eRosita (' xtended
T
elescope
Extragalaktische Beobachtungen
Ro
entgen
S
Ergebnisse
urvey with an
Ausblicke
Quellen
I
maging
rray')
Röntgenteleskop auf russischem Satellit
'Spectrum-X-Gamma' (Start 2011)
Zusammenarbeit MPE, Uni Tübingen,
Potsdam & Erlangen
7 Wolter-I Teleskope mit jeweils einer
CCD-Kamera
Himmelsdurchmusterung bei 0.5keV bis
10keV
Nachfolger von ROSAT,
10× empndlicher → Entdeckung von 3.2
Mio. AGNs erwartet
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Literatur:
Peter Schneider: 'Einführung in die Extragalaktische Astronomie und
Kosmologie', Springer Verlag, Berlin 2006
http://www.wissenschaft-online.de/astrowissen/lexdt.html
http://www.mpa-garching.mpg.de/galform/presse
http://www.jwst.nasa.gov/index.html
http://herschel.esac.esa.int/home.shtml
Müller A., Hasinger G., 2007, astro-ph/0708.09421v1
Hasinger G., 2003, AIPC, 666, 227
Hasinger G., Miyaji t., Schmidt M., 2005, A&A, 441, 417
Mateos S. et al. 2008, A&A, 492, 51
Merloni A., 2004, MNRAS, 353, 1035
Silverman J.D. et al., 2008, ApJ, 679, 118
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