Highlights der Astronomie Achim Weiß Karl-Schwarzschild-Str. 1 85748 Garching Tel.: 089/30000-2213 [email protected] Astronomy Picture of the Day http://antwrp.gsfc.nasa.gov/apod/astropix.html ● ● ● täglich ein schönes Bild aus der aktuellen astronomischen Forschung mit etwas Erklärung und weiteren Verweisen Vorlesung: ● wählen Sie im Laufe der Woche Ihr Lieblingsbild/Thema ● email an mich; treffe Auswahl ● übernächste Woche: Besprechung des Themas und des astrophysikalischen Hintergrunds Kontakt ● ● Achim Weiss: – Telefon: 089/30000­2213 – Mobil: 0175/9774391 – email: weiss@mpa­garching.mpg.de – homepage: www.mpa­garching.mpg.de/~weiss Mailing List für Vorlesung: – astrohigh@mpa­garching.mpg.de – anmelden: – ● mail an: minimalist@mpa­garching.mpg.de ● Subject: subscribe astrohigh abmelden: ● mail an: minimalist@mpa­garching.mpg.de ● Subject: unsubscribe astrohigh 18. Oktober 2004 Saturns Südpol, von Sonde Cassini aus aufgenommen 19. Oktober 2004 Spitzer Infrarot Teleskop findet Staubscheiben um ältere Sterne (künstlerische Darstellung) Heute: Das Universum Das Universum ● “ A map of the universe “ (J. Richard Gott III, et al.) (www.astro.princeton.edu/~mjuric/universe/) ● Darstellung der wesentlichen Komponenten unseres Universums und einiger berühmter Einzelobjekte ● vom Erdinnern bis zum Rand des Universums ● in speziellen Koordinaten – Rektaszension von 0 h bis 24 h – log d, wobei d eine Entfernung in “mitbewegten Koordinaten” ist Die Karte im Überblick Erdoberfläche m, km Planetensystem Astronomische Einheit 1 AU = 150 Mio. km = 1.49 10 11 m Sonnenumgebung Lichtjahr 1 LJ = 9.46 1015 m Milchstraße und nahe Galaxien Parsec = 3.26 LJ = 3.09 1016 m ferne Galaxien, Quasare, bis zum Rand des Universums Mpc, Gpc, Rotverschiebung z = /0 kosmologische Koordinaten ● Universum ist homogen und isotrop ● dehnt sich aus (Hubble­Gesetz v = H0d) ● ● ● wegen großer Entfernungen relativistische Beschreibung Entfernungsbegriff nicht mehr eindeutig – Begriff der Rotverschiebung (z=v/c für nahe Objekte) – mitbewegte Koordinaten: an Massen gebunden, ohne Skala wegen endlicher Lichtgeschwindigkeit: – Licht trifft bei uns aus unterschiedlicher Entfernung und unterschiedlicher Epoche ein mitbewegte und andere Koordinaten ● ● ● ● ● Friedmann­Metrik beschreibt Transformation von mitbewegten zu physikalischen Koordinaten in Friedmann­Metrik geht Skalenfaktor a(t) ein (Skalierungsgröße; a(t0) = a0 : heute) Friedmann­Gleichungen beschreiben a(t) bzw. 1. und 2. Ableitung von a in sie gehen Massen­ und Strahlungs­Energiedichte, eine kosmologische Konstante , und eine geometrische Krümmung ein führt zur Expansion, Dichten zur Kontraktion Wie groß ist das Universum? ● ● ● ● Hubble­Radius c/H0 = 4222 Mpc (H0= 72 km/s/Mpc); gewählt als a(t0) mit dem gängigen Weltmodell impliziert das, dass wir bis zu einer mitbewegten Entfernung (in unseren derzeitigen Skalen) von 3.38 RH = 14,283 Gpc schauen können. von dort kommen gerade Photonen aus dem Big Bang dagegen ist die “Rückschau­Zeit” (Alter des Universums x c) nur 13,7 GLj = 4,46 Gpc – Grund: die 14 Gpc sind die Entfernung, die diese Bereiche haben werden, wenn sie so alt sind wie wir jetzt (mitbewegte Koordinaten) Mikrowellenhintergrund (CMB) ● tatsächlich erreichen uns Photonen nur aus einer Entfernung, die der Phase der Rekombination entspricht: damals wurde das Universum durchsichtig ● diese Phase war bei z=1089 (380000 Jahre nach Urknall) ● damals war das Universum 3000 K heiß ● ● ● ● die Strahlung aus dieser Zeit kommt aus allen Richtungen gleichmäßig und heißt auch Kosmische Hintergrundstrahlung MWH, weil jetzt die Temperatur dieser Strahlung nur noch 2.7 K beträgt der mitbewegte Radius der CMB­Sphäre ist 14 Gpc zum Zeitpunkt der Rekombination war die physikalische Skala nur 1/1089 davon, also 13 Mpc Der Rand der Welt ● ● Jetzt können wir 13.7 Mrd Lichtjahre weit blicken für t ∞ ergibt sich eine mitbewegte Entfernung von maximal 19 Gpc (ca. 4 Hubble­Radien) – ● ● ● ● Warum nicht unendlich? Weil das Universum sich immer schneller ausdehnt. Durchschnittliche Entfernung zwischen Galaxien etwa 6 Mpc, also sind im jetzt sichtbaren Universum etwa 64 Milliarden Galaxien zu finden Jede mit 100 Mrd. Sternen, also 6 x 1021 Sterne diese Zahlen erhöhen sich noch um maximal den Faktor 2.4 (max. Radius/derzeitiger Radius) Licht, das jetzt von uns ausgesandt wird, kommt nur noch bis zu einer mitbewegten Entfernung von 4,7 Gpc (Rotverschiebung 1.68) kurze Geschichte des Universums (in Bildern) ● ● ● ● ● ● ● das Universum dehnt sich aus und kühlt sich dabei ab je nach Temperatur herrschen andere Fundamentalkräfte vor allmählich können bekannte Teilchen stabil existieren und Gravitation wird bestimmende Kraft aus einzelnen Nukleonen werden Atome, Moleküle, Gaskugeln, Galaxien wir sehen nur die leuchtende Materie es dominieren aber Dunkle Materie und Dunkle Energie Die Koordinaten der Karte ● ● ● ● ● Polarkoordinaten: – x­Achse: Rektaszension von 0 bis 24 hr; Größe 2 – y­Achse: mitbewegte Koordinaten, logarithmische Darstellung, Skala: heutiger Hubble­Radius; Ursprung: Erdoberfläche; Größe 47.63 in logarithmischen Erdradien lokal flächentreu (konform); Größe der Objekte entspricht Winkel, unter dem sie uns erscheinen, außer, wenn sie sehr klein wären (Mond, Sonne) radiale Strahlen weg von der Erde sind Senkrechte in Karte gezeigt sind Objekte in der Äquatorebene mit ­2° < < 2°, sowie etliche bekannte Objekte auch außerhalb derselben Zeitpunkt der Karte: 12. August 2003, 04:48 UT (Vollmond) unter der Erde ● ● ● ● ● ● ● ● fester Kern mit r=1200 km darüber der flüssige Kern bis 3480 km dann unter und oberer Mantel (bis 5701 und 6341 km) Oberfläche und Kruste sind nur als dickerer Strich erkennbar (6378 km) der Maßstab dort ist 1/250,000,000 höchster Berg am Äquator ist Chimborazo (6320 m) mit 0.002 cm man könnte auch noch nach weiter nach innen gehen das zentrale Neutron wäre bei y=­50 (1.9 10­22 rE) und darüber ● ● ● ● Tropo­ und Stratosphäre zu dünn; bei 70 km beginnt die Ionosphäre (bis 600 km; Nordlichter, Meteore) darüber Exosphäre = Rand der Erdatmosphäre alle 8420 Satelliten (grüne Punkte), die noch nicht zerstört sind, und Namen haben International Space Station Hubble Space Telescope ● ● ● HST ist 2.4­Meter Spiegelteleskop in erdnahem Orbit (600 km); am 25. April 1990 von Shuttle Discovery dort abgesetzt anfänglich schlechte Optik, später repariert (1993; Endeavour) außerhalb Atmosphäre, damit beugungsbegrenzte Bilder (Auflösung) ● mehrere Instrumente ● immer wieder ausgetauscht ● spektakuläre Ergebnisse Hubble Ergebnisse Hubble Deep Field tiefste Beobachtung (10 Tage non­stop) eines kleinen Himmelsausschnitts Blick zurück in die Entwicklungs­ geschichte von Galaxien Satelliten ● ● Vanguard 1: ein 20 cm Satelliten­Opa von 1958 nach 178000 Orbits Chandra: Röntgen­Observatorium seit 5 Jahren im Orbit Krebs­Nebel (Supernova­Überrest) ● ● dazwischen geostationäre Satelliten in 36000 km und GPS in ca. 22000 km (12 Stunden Orbit) 24 (?) Stück van Allen Gürtel Strahlungsgürtel in 1000­6000 km und 15000­25000 km Höhe ● energiereiche kosmische Teilchen ● Protonen und Elektronen ● in Magnetfeld der Erde gefangen ● pendeln zwischen den Polen auf Spiralbahnen ● schützt uns vor schädlichem Bombardement ● wird verformt bei starkem Sonnenwind (Ausbrüchen) ● Wilkinson Microwave Anisotropy Probe ● ● ● ● Satellit zur Messung der Anisotropien des CMB diese hängen direkt von kosmologischen Parametern ab diese sind, z.B. Materiedichte, Baryonendichte, kosmologische Konstante bzw. Dunkle Energie, ... WMAP hat das derzeitige kosmologische Bild definiert gestartet 6/2001 erste Daten 2/2003 am L2­Punkt Lagrange­Punkte ● an diesen Punkten kann ein Körper fast kräftefrei im gemeinsamen Schwerefeld zweier massiver Körper um deren Schwerpunkt fliegen ● im Fall Sonne und Erde liegt L2 1.5 Mill. km über der Erde ● L2 ist instabil (23 Tage), daher Pendeln nötig Karte 2: das Sonnensystem Mars ● ● ● ● ● hatte erdnächsten Punkt (56 Mill. km) im August 2003 zur Zeit 2 Rover (Spirit und Opportunity; NASA) auf Mars und Mars Express (ESA) im Orbit Suche nach (Spuren von) Wasser, Mikroben geologische und atmosphärische Geschichte 2 Monde: Phobos Deimos Merkur und Venus ● Merkur rotiert in 3:2 Resonanz (3 Tage = 2 Jahren) ● stark exzentrische Bahn ● Messenger Mission (2004/2011) ● Bepi Colombo (2012/2016) ● ● ● Venus ist auf kreisförmigster Bahn retrograde und langsame Rotation hochdichte und turbulente Atmosphäre Sonne ● ● am besten verstandener Stern Schallgeschwindigkeit im ganzen Innern besser als 0.5% bekannt und modellierbar niedrige Masse, mäßige Helligkeit, langsame Entwicklung, Oberfläche 5770 K ● jetzt 4.6 Mrd. Jahre alt, wird etwa 12 Mrd. Jahre ● Energie aus Wasserstofffusion im Zentrum (15 Mill. K) ● aktive Oberfläche, Eruptionen, Sonnenflecken etc. Asteroiden ● 1.5 bis 3.5 Astronomische Einheiten (AU) ● 14183 von 218484 katalogisierten gezeigt ● Asteroiden liegen in Ekliptik, daher mit Erd­Äquator­ Ebene zwei Durchstoßpunkte ● Teil der Planetenentstehung oder zerbrochene Planeten? ● Gesamtmasse unter der des Mondes ● Ceres der größte (1801 von Piazzi entdeckt) ● “Killer­Asteroiden”: > 1km ● vor 65 Mill. Jahren: Yukatan­Einschlag (10 km Asteroid) Ende der Dinosaurier? Jupiter ● 5 AU von Erde ● 1/1000 Sonnenmasse; 1/50 Radius ● 63 Monde bekannt, 38 mit Namen ● vor und hinter Jupiter die Trojaner (Asteroiden) an den L4 und L5 Punkten ● Galileo: www2.jpl.nasa.gov/galileo ● Ulysses: Sonnenmission Saturn ● ● 31 Monde; Titan größer als Mond oder Merkur und mit eigener Atmosphäre Cassini­Huygens Satellit erforscht Ringsystem (Ankunft 7/2004) – größer als Mondbahn – zerstörte Kleinkörper Uranus und Neptun ● ● ● Uranus rotiert in Bahnebene beide haben Atmosphären mit Jahreszeiten 27 bzw. 20 Monde Neptun und Triton und Halley ist dort... Pluto und der Kuiper Gürtel ● ● ● Kuiper­Gürtel: – zwischen 30 und 50 AU entfernt; Anzahl Objekte noch unbekannt (lichtschwach) – scheibenförmige Ansammlung kleiner Körper (771) – daraus stammen kurzperiodische Kometen große Objekte im Kuiper­Gürtel: – Quaoar (1250 km), Varuna, Sedna (90 AU) – Chiron, Pholus, .... “Centauren”; bis innerhalb Uranus­Bahn; instabile Bahnen Pluto: eher das größte Kuiper­ Gürtel Objekt als ein Planet Satelliten am Rand des Sonnensystems ● Voyager 1 (9/1977) und 2 (8/1977) ● Planetenmissionen (Bilder von Jupiter und Saturn) ● Pioneer X (1972): Asteroidengürtel ● alle verlassen Sonnensystem; noch Kontakt, 12 Lichtstunden entfernt Karte 3: die Oort­Wolke ● ● ● ● ● ● aus Analyse der Bahnen langperiodischer Kometen von Oort vorhergesagt keine Objekte entdeckt zw. 8000 und 100000 AU Reisezeit 50000 bis 2 Millionen Jahre Störung durch große Planeten macht wiederkehrende Kometen (Halley) Material wie zur Entstehungszeit des Sonnensystems Karte 4: Die nahen Sterne Die hellsten Sterne ● ● Die zehn hellsten Sterne am Nachthimmel sind: – Sirius ( Canis Majoris; ­1.4 mag) – Canopus (Carniae; ­0.7 mag) – Centauri A (­0.01); sonnenähnlich; Dreifachsystem; Stern C = Proxima Centauri 4.22 Lichtjahre entfernt, nächster Stern – Arcturus (2 M⊙; Riese; ­0.04 mag) – Vega (Lyra; 1.5 M⊙; 0.03 mag) – Capella, Rigel (Orion), Procyon – Achernar (15000 K; 4000 L⊙) – Beteigeuze (Riese; 55000 L⊙; 0.5 mag) diese Sterne sind hell, weil sie nahe sind! Sterne mit Planeten ● ● ● nahe Sterne können genau untersucht werden daher fand man in der Sonnenumgebung die ersten extrasolaren Planeten Methoden: – Doppler­Methode: Planet und Stern kreisen um gemeinsamen Schwer­ punkt, daher wird Stern sich hin und her bewegen; das ist im Spektrum messbar – umso leichter, je mehr Masse der Planet hat, je näher er am Stern ist, und wenn er Stern in Sichtlinie umkreist Planetensuche – ● ● Verdunkelung (Transit; Bedeckung): Planet zieht an Stern vorüber und verdunkelt ihn; Effekt sehr klein, daher große Planeten leichter zu finden und extrem genaue Messungen nötig bisher gefunden: sehr massereiche Planeten (Jupiter), die sehr nahe an Muttergestirn sind; immer mit Dopplermethode bevorzugt sonnenähnliche Sterne Planeten ­ Ergebnisse ● ● ● ● ● ● PSR 1267+12 (Pulsar) war der erste “Stern” mit Planet 51 Peg der erste “normale Stern” jetzt schon über 130 Systeme bekannt Suche nach eher erdähnlichen Planeten über Bedeckung und vom All aus (Corot­Satellit) Planeten findet man bevorzugt um Sterne mit hohem Metallgehalt – warum? Zukunft: Planeten in habitabler Zone und Atmosphären­ Analyse alle bekannten Planeten Hipparcos ● ● ● ● ● ● astrometrischer Satellit (1989­1993) Katalog fertig 1996 (alle Sternpositionen müssen gleichzeitig analysiert werden) Genauigkeit 1 marcsec für 120.000 Sterne – entspricht Golfball in Europa von Amerika aus gesehen – Entfernung bis zu 30 pc und für fast 1.000.000 weitere mit 1/10 Genauigkeit auch Eigenbewegung wichtige Informationen zum Aufbau der Milchstraße und zu Sternen Hipparcos­Objekte in der gemessenen Entfernung mit Fehler; die große Gruppe sind die Hyaden Fortschritte in der Astrometrie Astrometrie wichtig, weil sie die dritte Dimension akkurat erschließt einzelne Objekte in Hipparcos­Entfernung ● Pleiaden: ein offener Sternhaufen ● M13: ein Kugelsternhaufen ● Crab­Nebel: Überrest der Supernova von 1054 mit Crab­Pulsar Karte 5: Milchstraße und Lokale Gruppe weitere Objekte in Hipparcos­Entfernung ● ● ● Cygnus X­1: eine Röntgenquelle mit einem 7 M⊙ Schwarzen Loch M27 (Dumbell­Nebel; Planetarischer Nebel) M42 (Orion­Nebel; Emissions­Nebel, Sternentstehungsgebiet) Pulsare ● Pulsare sind Neutronensterne , Überreste von Supernova­ Explosionen – Dichten wie Atomkern – Radien bei 10 km – Masse: mehrfache Sonnenmassen – extreme Magnetfelder (1012 Gauss) – in denen geladene Teilchen beschleunigt werden und strahlen – hauptsächlich aus Polregionen – Leuchtturm­Effekt: trifft uns der Kegel, empfangen wir ein (sehr) regelmäßiges Radio­Signal Vela­Pulsar Röntgenemission, beobachtet von Chandra getrieben von Jet, der von Vela ausgeht Anscheinend bewegt sich Vela auch in Richtung des Jets Hulse­Taylor Pulsar: ein Pulsar mit Begleiter, einem weiteren Neutronenstern. Das System verliert Energie durch Gravitationswellen, wodurch sich die Sterne annähern und die Pulsar­Signale zu unterschiedlichen Zeiten ankommen. Die regelmäßige Veränderung wurde von Taylor gemessen und bestätigt Einsteins Relativitätstheorie. Dafür gab' s einen Preis... Das galaktische Zentrum ● ● ● In 8 kpc Entfernung in Richtung Sternbild Schütze im optischen nicht sichtbar, wegen Staubabsorption daher IR, Radio, Röntgen­Beobachtungen (50o Schnitt durch gal. Scheibe und Zentrum) Das Monster im Zentrum ● Im Zentrum unserer Galaxie sitzt ein schwarzes Loch ● Masse 2.61 106 M⊙ ● gefunden aus hochauflösenden IR­Beobachtungen ● Sterne kreisen um eine kleine zentrale Masse ● das Zentrum ist bei Sgr A* (Filmchen gal_center.mpg) Der Rand der Milchstraße ● zum Zentrum (bei 18 h) sind es 8 kpc ● zum Rand (bei 6 h) etwa ebenso weit ● ● ● hinter dem Zentrum, auf der anderen Seite der Galaxis, ist die Sagittarius Zwerggalaxie (Sgr dSph) diese Galaxie kreist um die Milchstraße und wird gerade durch Gezeitenkräfte zerrissen die Spuren sind auf ihrer Bahn um die Milchstraße gefunden worden Magellansche Wolken ● Große und Kleine Magellansche Wolken – die nächsten (irregulären) Zwerggalaxien in 50 bzw. 60 kpc Entfernung von der Milchstraße Die Lokale Gruppe ● ● ● Milchstraße und Andromeda Nebel sind die dominierenden Galaxien einer Gruppe von etwa 50 Galaxien, die meisten Zwerggalaxien M31 (Andromeda) ist 900 kpc entfernt hat auch zwei kleine Begleiter, eine davon eine kleine elliptische Galaxie 3d­Ansicht der Lokalen Gruppe M81 ● M81 ist die erste Galaxie, die nicht mehr zur Lokalen Gruppe gehört (sondern zur kleineren M81­M82 Gruppe) ● Entfernung 4 Mpc, im Großen Wagen ● Typ: Sb (Spiralgalaxie) Hubble`s Galaxien­Klassifikation Karte 6: ... zum Rand des Universums ... weitere Galaxien M51 und Zentrum (10 Mpc; Jagdhunde) M101 (Sc) Der Virgo­Haufen ● ● ● ● Haufen mit 250 großen und 2000 kleinen Galaxien M104 (Sa; “Sombrero”) 16 Mpc entfernt, 3 Mpc groß; 10 x 10 Grad groß im Zentrum die Riesen­Ellipse M87, die das mit 3 109 M⊙ massereichste Schwarzes Loch besitzt wir fliegen auf den Virgo­Haufen zu M87 Zentrum des Virgo­Haufens Galaxien und großräumige Struktur ● ● die blauen Punkte auf dieser Karte sind 126.594 Galaxien und Quasare, die von SDSS bisher gefunden wurden SDSS: Sloan Digital Sky Survey, 2.5 m Teleskop für Photometrie und Spektren ¼ des Himmels 100 Mill. Objekte großräumige Struktur ● ● Galaxien sind nicht gleichmäßig verteilt, sondern entlang von Filamenten, die sich kreuzen nur wenn über Skalen von 200 Mpc gemittelt wird, wird alles gleichmäßig numerische Simulationen ● ● ● in numerischen Simulationen, die von einer fast gleichmäßigen Materieverteilung mit kleinen Dichteschwankungen ausgehen, und die die Materie der Wirkung der Gravitation überlassen, bilden sich diese Strukturen ebenfalls wann, und wie groß sie sind, hängt aber vom kosmologischen Modell ab! Materie meint hier die dominierende Dunkle Materie, mit der die bekannte leuchtende mitschwimmt Filmchen (tcdm_gif_cluster.mpeg) Great Walls ● ● in der rechten Hemisphäre ist der Great Wall gezeigt große Struktur: 5 Mpc tief, aber 150 x 70 Mpc ausgedehnt ● erstaunlich groß für Theorien der Strukturbildung ● SDSS entdeckt einen noch größeren Sloan Great Wall ● ebenfalls eingezeichnet ist der Große Attraktor, eine Massenkonzentration (außerhalb der Äquatorebene), auf den sich der Virgo­Haufen zubeweg The two Great Walls and Fingers of God Coma-Haufen im CfASurvey: wegen Eigenbewegung der Galaxien Bereich von Rotverschiebungen, die als radiale Struktur auffallen (Fingers of God) Quasare ● ● ● ● ● ● extragalaktische Objekte, punktförmige (quasistellar) Erscheinung, blaue Farben eine Variation der Aktiven Galaktischen Kerne AGNs sind Galaxien mit extrem energiereicher Quelle im Zentrum, vermutlich einem supermassiven Schwarzen Loch um dieses herum verschiedene Regionen von Wolken, Scheiben, die absorbieren und emittieren Quasar im Zentrum heller als die restliche Galaxie 3C 273 berühmtes Beispiel Der Doppelquasar ● ● ● ● Licht wird auf kosmologischen Distanzen vom Schwerefeld der Materie abgelenkt: Gravitationslinsen-Effekt führt zu interessanten Effekten wie Verstärkungen, Verformungen und Mehrfachbildern das erste Beispiel war der Doppelquasar 0957+561, ein Paar von 2 Quasaren mit identischer Rotverschiebung und identischen Spektren später wurde auch die Galaxie gefunden, die die Linse ist Rotverschiebung ● ● sowohl Quasare als auch (normale) Galaxien wurden bis zu Rotverschiebungen von z > 6 gefunden das entspricht im gängigen beschleunigt expandierenden Universum einer mitbewegten Entfernung von 9­10 Gpc ● oder einer lookback­time von 12 Gyr ● es fehlen noch: die Ersten Sterne und Galaxien ● ● danach kommt nur noch die kosmische Hintergrundstrahlung (CMB) zur Erinnerung: wir sehen nur den zeitlichen, keinen räumlichen Rand ... und das nächste Mal APOD vom 24.10.04: Der “Eagle­Nebel”