Struktur Spiralgalaxien
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Struktur Spiralgalaxien Max Camenzind Akademie HD November 2015 Morphologie Hubble’s Stimmgabel Sa Sb Sc S0 E0 Sd Irr E6 SB0 Elliptizität = 10(a-b)/a < ~ 7 aus Beobachtung SBa SBb SBc SBd Inhalt • Komponenten einer Scheibengalaxie • Rotationskurven der Scheibengalaxien und Dunkle Materie Vera Rubin • Ursprung der Spiralarme: • Epizykelfrequenz • Dichtewellentheorie • Toomre Kriterium Komponenten von Scheibengalaxien Scheiben Galaxie von der Seite Unsichtbarer Halo Bulge Alte Sterne Dicke Scheibe Stern-Scheibe Dünne Scheibe Gas- & Staub-Scheibe mit GTC arXiv:1510.04696 Halo arXiv:1510.04696 Scheibe & Stellarer Halo von UGC00180 UGC = Uppsala General Catalog 12921 Gal Halo arXiv:1510.04696 Scheibengalaxie von oben Komponenten einer Scheibengalaxie Parameter von Scheibengalaxien Rotationskurven von Scheibengalaxien … durch Vera Rubin vorangetrieben Awards and honors for Vera Rubin Gold Medal of the Royal Astronomical Society, the first woman to be honored after Caroline Herschel in 1828. Weizmann Women & Science Award Gruber International Cosmology Prize Bruce Medal of the Astronomical Society of the Pacific James Craig Watson Medal of the National Academy of Sciences Richtmyer Memorial Award Dickson Prize for Science National Medal of Science Adler Planetarium Lifetime Achievement Award Member of the US National Academy of Sciences Member of the Pontifical Academy of Sciences Member of the American Philosophical Society Henry Norris Russell Lectureship before the American Astronomical Society Rotation Andromeda Vera Rubin & Kent Ford 1970 Rotation Milchstraße / Sofue 2009 NFW Halo Scheibe Bulge Masse von Scheibengalaxien Masse übertrifft bei weitem die sichtbare Masse bestärkt die Hypothese der Dunklen Materie Masse muss im Halo vorhanden sein Halo bis zu 80 kpc nachgewiesen ! Rotationskurve von Messier 33 Halo Dunkler Materie Wo sind die vielen Dunklen Halos? Simulation der Galaxienbildung 1 Mio. Halos 1 Mio. Lichtjahre 2 Dichteprofile des DM Halos Navarro, Frenk & White: Core-Profil: Gravitation GM(R)/R² DM Halos W²(R) = GM(R)/R³ ~ 1/R² V²Rot(R) = GM(R)/R ~ const Rotationskurve in DM Halos Scheibengalaxien – Teil 2 Skizze von M 51 / Earl Rosse 1845 Was sind SpiralArme? Spiral arms Das “Windungsproblem” der Scheibengalaxien Kinematik Bertil Lindblad 1925 Bereits 1925 erkannte der schwedische Astronom Bertil Lindblad, dass unsere Milchstraße rotiert. Er erkannte weiterhin, dass die Winkelgeschwindigkeit dieser Rotation nach außen hin abnimmt. Damit war klar, dass die Spiralarme keine bloße statische Anhäufung von Sternen und Staub sein konnten, denn infolge der differentiellen Rotation der Milchstraße würden sich diese in kurzer Zeit auflösen (sog. Winding Problem). Als Lösung dieses Problems entwickelte er eine erste Version der Dichtewellentheorie. Grundlage ist die Annahme, dass im Gravitationsfeld einer Galaxie eine Dichtewelle mit konstanter Geschwindigkeit umläuft. Diese Winkelgeschwindigkeit stimmt im allgemeinen nicht mit der Rotationsgeschwindigkeit des restlichen Systems überein. Diese Ansätze wurden 1960 Jahren von den chinesischen Astronomen C.C. Lin und Frank Shu weiterentwickelt Lösung: Dichtewellentheorie Aufgrund der differenziellen Rotation müsste sich die Spiralstruktur eigentlich schon nach wenigen Drehungen der Galaxie aufgelöst haben. Die Theorie geht deshalb davon aus, dass die Spiralarme ein Wellenphänomen sind und ständig neu gebildet werden. Die Dichtewellen durchlaufen die Materie der Galaxie, wobei die Spiralarme die Gebiete maximaler Dichte darstellen. Im Milchstraßensystem rotiert die Dichtewelle beispielsweise mit einer Geschwindigkeit von ca. 13,5 Kilometer pro Sekunde pro Kiloparsec, was der halben Geschwindigkeit der Rotation der Sterne entspricht. Die beobachtbaren Spiralarme entstehen, nachdem das Gas von der konkaven Seite her in die Dichtewelle einströmt und verdichtet wird. Gebiete mit bereits hoher Gasdichte, wie z. B. Molekülwolken, werden dadurch instabil und beginnen zu kollabieren, sodass neue Sternhaufen entstehen, die als H-IIGebiete und OB-Assoziationen (Sternassoziationen) hinter der Dichtewelle sichtbar werden. Epizykelfrequenz Vrot = const W ~ 1/R k² = 2 W² Bahnen der Sterne werden elliptisch und sind nicht geschlossen Rosettenbahnen Lindblad`s kinematische Wellen waren ein erster Ansatz zur Lösung des „Windungsproblems“ oszillierende Sternbahnen in Form von Epizyklen. Stabilität einer dünnen Scheibe C.C. Lin & Frank Shu 1964 Dichtewellen Wir stören die dünne Scheibe: Maxima liegen auf der Kurve: Zu fester Zeit t Spirale (falls m > 0): Störungstheorie: Jeansgleichungen Gleichgewichtsverteilung der Sterne Störung der Phasenraumverteilung der Sterne Achsensymmetrische Störungen Dispersionsrelation Stabilisierung Destabil. Achsensymmetrische Störung (Ringe) m = 0: w = 0 2 Toomre-Parameter einer Scheibe Falls Q > 1 Scheibe achsensymmetrisch stabil Falls Q < 1 Scheibe instabil gegen Ringbildung Selbstgravitation gewinnt QS = 1,2 Galaxis stabil! Toomre-Stabilität einer Scheibe w² > 0 stabil Druck stabilisiert w² = 0 metastabil w² < 0 instabil Rotation stabilisiert Stabilität einer 2-Kompon. Scheibe Sg/S* = 0,01; 0,07; 0,10; 0,18 Instabilität einer Scheibe: Q = 0,63 Rotation bei 3 Skalenradien Toomre-Parameter Milchstraße Epizykelfrequenz: k = 32 km/s/kpc Stellare Flächendichte: S = 60 MS/pc² Geschwindigkeitsdispersion: cS = s = 30 km/s Toomre-Parameter Sonnenumgebung: QS = 1,2 Milchstraße stabil gegen Ringbildung Ringbildung bei jungen Galaxien Ringbildung bei jungen Galaxien Klumpenbildung jungen Galaxien Resonanzbedingung: WS = W(R) +- k(R)/m W : Rotation der Sterne CR: Korotation ILR: innere Lindblad Res OLR: äußere Lindblad Res Welle kann nur hier exist! Sterne laufen schneller als Spiralwelle Sterne laufen langsamer als Spiralwelle Camenzind 2014 Resonanz-Radien Milchstraße Windungsproblem & Dichtewellen Spiralwelle wie Stau auf Autobahn Sterne laufen von hinten in den Stau und vorne wieder weg Spiralarme Milchstraße Was treibt die Spiralen an? Zweiarmige Spiralen durch Begleiter Saturn-Ringe 99.9% pure water ice 3x1019 kg 5-30 m thick > 5 cm Cassini radio image large < 5 cm Verdichtungswellen in Saturn-Ringen / Cassini Spiral-Struktur 2 Arten von Spiralarmen: Anzahl Arme = m, meisten Spiralen m=2, d.h. zweifache Symmetrie (“Grand Design”) Arm-Orientierung: Vorlaufend Rotation nachlaufend HII-Regionen bilden sich in Spiralarmen Alte Sterne liegen homogen zwischen Armen Spiralarme sind nur „Patterns“ • Nach der Dichtewellentheorie sind Spiralarme Verdichtungen, die spiralförmig durch die Galaxie laufen. Zwei-armige Galaxien sind eher selten. • Die verstärkte Gravitation in den Spiralarmen führt zu verstärkter Sternbildung in den Armen. • Kompression in Molekülwolken Kollaps und damit Sternbildung. • In der Milchstraße rotiert diese Struktur einmal in 500 Mio. Jahren um das Zentrum. • Ringbildung (achsensymmetrische Instabilität) kommt vor allem in jungen gasreichen Galaxien vor. Zweiarmige Spirale M74 Ringbildung an der inneren Lindblad-Reson „Flocculante“ Spirale
