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Einführung in die Astronomie &
Astrophysik II
3. Was sind Galaxien?
SoSe 2010, Knud Jahnke
http://mpia.de/coevolution/Lectures/astro210
Geschichtliches
• 10 Jhd., Abd al-Rahman al-Sufi: Andromeda + LMC
• 1750, Thomas Wright: Milchstraße = viele Sterne +
Gravitation
• 1755, Immanuel Kant: Nebel = „Welteninseln“
• 26. April 1920: The Great Debate über Nebel
– Harlow Shapley: Nebel = Teil der Milchstraße (Argument: Abstand
Andromeda–MW unvorstellbare 108 LJ und Nova in Andromeda heller als Galaxie
 Supernova)
– Heber Curtis: Nebel = „Island Universes“ wie Milchstraße
(Argument: mehr Novae in Andromeda beobachtet als in Milchstraße)
• 1922/23: Edwin Hubble, Entfernungsmessungen zu
Nebeln  Galaxien!
Bitte sortieren:
NGC
5033
NGC
4631
NGC
3190
NGC
3184
NGC
5866
NGC
4125
NGC
4552
Sortierkriterien
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Form (Spiralarme)
Farbe (blau oder gelblich/rot)
Größe
Helligkeit
Staubspuren?
Zentrum: kugelförmig oder elongiert
Sterne in Galaxien
NGC 3184
NGC 4552
Elliptische Galaxie (E)
Spiralgalaxie (S…)
NGC 3198
Sterne in Galaxien
Spiralgalaxie: Rotationskurve
Sterne in Galaxien
Spiralgalaxie: kinematisch „kalt“, koordinierte Rotation,
Scheibe
Sterne in Galaxien
Elliptische Galaxie: kinematisch „heiß“, wenig Rotation,
Spheroid
Einschub: Rotationskurven
• Newton + zentrifugales Gleichgewicht (sph. Symm.):
2
GM R  v  R 
2
=
=ω
 R ⋅R
2
R
R
• Masse innerhalb Radius R:
R
M R =∫0 dr ρ r r
• Beispiele
3
2
– ρ=const .⇒ M ∝ R ⇒ v ∝R , ω=const .
−2
– ρ∝R ⇒ M ∝R ⇒ v=const .
1
– Punktmasse ⇒ v ∝
R
(isotherm)
(keplersch)
Rotationskurven
Rotationskurven
Rotationskurven
Rotationskurven
gemessen
Rotationskurven
NGC 3198
Rotationskurven
gemessen
DM Halo
leuchtende
Materie
Dunkle Materie
•
•
•
•
25% (!) der globalen Energiedichte (Baryonen ~ 4%)
nur gravitative WW
keine el-mag WW
Was ist es?  Supersymmetrie?  unklar…
 Nobelpreis 2025?
Sterne in Galaxien
Bulge  Spheroid
NGC 3184
NGC 4552
Elliptische Galaxie
Stellarer Bulge
(Zentralverdickung)
Sterne in Galaxien
Balkenspirale (SBa, SBb, SBc, …)
NGC 3945
Elliptische Galaxie
Stellarer Bulge
(Zentralverdickung)
NGC 3351
Sterne in Galaxien
Galaxienzusammenstöße/-verschmelzungen
Sterne in Galaxien
Irreguläre Galaxien
Sterne in Galaxien
Zwerggalaxien
Sterne in Galaxien
MW Zwerggalaxien
Sterne in Galaxien
Sterne in Galaxien
• Stellare Massen:
– MW: 8x1010 Msonne (Scheibe 6x1010, Bulge 1x1010)
• MW Halo 5.5x1011 Msonne
– Andromeda: etwas massereicher
– Giant Elliptical (M87): 1012 Msonne
– Zwerggalaxie: 107–108 Msonne
– MW Zwerggalaxien: < 107 Msonne
 alles „Galaxien“, über 6 Größenordnungen in Masse
Sterne in Galaxien
• Parameter:
–
–
–
–
–
–
–
–
–
Morphologie (Typ)
Dynamik (heiß, kalt)
stellare Masse
DM Masse
Farbe
mittleres Alter
Stärke Sternentstehung
Staubmenge
…
• > 8-dimensionaler Parameterraum?
Zyklus der interstellaren Materie
al
n
o
ti M>M
a
t
i
av se:
r
G llap
co
Molecular
clouds
per
n
Stars
ova
e
Planetary
nebulae
Giant molecular
cloud complexes
Disruption
during star
formation
Su
Merging
Breakup
of old
shells
around
PN &
SNR
Merging &
Cooling
Coronal gas
Cooling
HII
Co
o
lin
g
Supernova
heating
HII regions
after
g
n
i
l
Coo
n
essio
r
p
m
co
Cold HI
Warm HI
Heating and/or
cooling by
conduction
Galaxienkerne
Schwarzes Loch in der
Milchstraße: 3•106 Msun
=6•1036 kg
Genzel et al. 1998...2005, und andere
MBH/Msun
Galaxienkerne
M* /Msun
z=0: Häring&Rix 2004
Hubble-Sequenz
Leuchtkraftfunktion
Massenfunktion
Farb-Helligkeits-Diagramm
20.000 Galaxien
SDSS: Baldry et al. 2004
Farbe/Alter
rot/
alt
blau/
jung
hoch
Leuchtkraft/Masse
niedrig
Räumliche Verteilung/„Clustering“
Galaxienhaufen Abell
S0740
Räumliche Verteilung/„Clustering“
Inhomogen: <Mpc Skalen
Homogen: global
Räumliche Verteilung/„Clustering“
DM Halos:
Zentrale Galaxie und
Satellitengalaxien
DM Simulation
Räumliche Verteilung/„Clustering“
DM Halos:
Zentrale Galaxie und
Satellitengalaxien
Skalenrelationen
LB ∝ v
α
max
log(LeuchtkraftB)
Tully-Fisher-Relation:
Spiralgalaxien:
Leuchtkraft ~ max.
Rotationsgeschwindigkeit
log(HI Linienbreite)
Skalenrelationen
log σ ∝ M R
(ergibt sich aus Virialsatz,
2T=-U)
log(sigma)
Faber-Jackson-Relation:
Elliptische Galaxien:
Geschwindigkeitsdispersion ~ Leuchtkraft
MR
Skalenrelationen
Fundamental-Plane:
Re , σ 0 , 〈 μ〉e
Re =effektiver Radius
σ 0=zentrale Geschwindigkeitsdispersion
〈 μ〉 e=mittl. Flächenhelligkeit innerhalb R e
log Re =0.34〈 μ e 〉1.4log σ econst .
Skalenrelationen
Fundamental-Plane
Skalenrelationen
Fundamental-Plane:
Re , σ 0 , 〈 μ〉e
Re =effektiver Radius
σ 0=zentrale Geschwindigkeitsdispersion
〈 μ〉 e=mittl. Flächenhelligkeit innerhalb R e
log Re =0.34〈 μ e 〉1.4log σ econst .
Vertiefung: stellare Populationen
NIR = stellare Masse
Sternentstehung: fernes UV
Sternentstehung: 24mu Staub
Sternentstehung: CO (molekulares Gas)
Sternentstehung & stellare Populationen
Sternentstehung:
• Indikatoren:
–
–
–
–
MIR Emission (stellare Winde=geheizter Staub)
UV Licht (direkte Emission)
Emissionslinien (direkte Emission des ISM)
junge Sterne
Sternentstehung & stellare Populationen
Spektralanalyse: Populationssynthese
Sternentstehung & stellare Populationen
Spektralanalyse: Emissionlinien, Populationssynthese
Sternentstehung & stellare Populationen
NGC 3184
NGC 4552
Elliptische Galaxie (E)
Spiralgalaxie (S…)
Sternentstehung & stellare Populationen
Spiralgalaxien
• Sternentstehung
• alte Sterne
• auch junge Sterne
• blaue Farben
• Staub, Gas
• kinematisch kalt
• flach
• eher weniger dichte
Umgebung
• eher niedrigere Massen
Elliptische Galaxien
• Keine Sternentstehung
• alte Sterne
• keine jungen Sterne
• rote Farben
• wenig Staub, Gas
• kinematisch heiß
• rund
• eher dichtere Umgebungen
• eher höhere Massen
• Endzustand der
Galaxienentwicklung
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