Sterne

Galaxien (2) - Scheibengalaxien
Galaxien, die aus einem Bulge und einer flachen Scheibe bestehen, auf denen ein
spiralförmiges Muster aufgeprägt ist, werden heute gewöhnlich als Scheibengalaxien
bezeichnet.
IR-Aufnahme von M81 (Spitzer-Teleskop):
Auch warmer Staub zeichnet die Spiralstruktur nach…
Physische Eigenschaften von Scheibengalaxien
• Eine flache und rotierende Scheibe von Sternen, Gas und Staub. Die Scheibe kann
aufgeteilt werden in eine „dünne Scheibe“, welche viel Gas und neugebildete Sterne
enthält, und eine „dicke Scheibe“, die vorwiegend ältere Sterne enthält. Die dünne
Scheibe enthält 65 % der sichtbaren Masse der Galaxie, die dicke Scheibe nur 5 %.
• Eine zentrale Komponente, Zentralkörper oder Bulge genannt. Dieser besteht
hauptsächlich aus älteren Sternen. Der Zentralkörper enthält 33 % der sichtbaren
Materie.
• Es wird inzwischen als sicher angenommen, dass sich im Zentrum jeder Galaxie ein
supermassives Schwarzes Loch befindet.
• Der galaktische Halo besteht aus weit verstreuten, älteren Sternen und einer Vielzahl
von Kugelsternhaufen, die die Galaxie langsam umkreisen. Der Halo trägt nur 1 % zur
sichtbaren Materie bei. Er enthält jedoch 95 % der gesamten Materie der Galaxie in
Form von Dunkler Materie.
Typische Spiralgalaxien enthalten 1 Milliarde bis zu 1 Billiarde Sonnenmassen
Ihr Durchmesser liegt zwischen 5 und 100 kpc (16000 – 325000 Lichtjahre)
Es besteht eine Korrelation zwischen Gasgehalt und Ausprägung der Spiralstruktur
Rotation von Scheibengalaxien
Man glaubte lange Zeit, daß die Spiralstruktur etwas mit der differentiellen Rotation
der Scheibe zu tun hat. Um das zu überprüfen, wurden spektroskopisch (Doppler-Effekt)
Rotationskurven ermittelt und mit den theoretischen Erwartungen verglichen.
Nach Newton ergibt sich für die Rotationskurve aus folgender Beziehung (Kepler-Bewegung):
(gilt für Punktmassen – Sterne)
Man erwartet für die Außenbereiche einer
Scheibengalaxie ein Rotationsverhalten
gemäß
1
𝑣 𝑟 ~
𝑟
Gefunden wurde aber 𝑣 𝑟 ~ 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡.
Theoretische und beobachtete Rotationskurve einer typischen Scheibengalaxie
Rotationskurve von NGC 6503
Ohne die Präsenz eines überaus massereichen Halos ist die beobachtete Rotationskurve
dieser Galaxie nicht zu erklären.
Ausnahmslos alle Scheibengalaxien zeigen in ihren äußeren Bereichen eine mehr oder
weniger ausgeprägtes konstantes Rotationsverhalten, welches im Widerspruch zur KeplerBewegung steht
Wie läßt sich das Rätsel der flachen Rotationskurven lösen?
Galaxien „müssen“ ein Halo nichtsichtbarer, aber gravitativ wirksamer Materie besitzen
Definition: Materie heißt dunkel, weil sie bisher nicht beobachtet wurde, sondern
ihre Existenz nur indirekt durch ihre gravitative Wechselwirkung mit sichtbarer
Materie erschlossen werden konnte.
Die Existenz dunkler Materie wird auch aufgrund kosmologischer Modelle
vorhergesagt. Die Struktur des Universums bei großen Skalen kann ohne dunkle
Materie nicht erklärt werden.
• Seit über 50 Jahren sorgfältige astronomische Suche nach Masse im Universum.
• Vergleich sichtbarer Masse mit dynamischen Abschätzungen: Materie in Galaxien zu
90%, im Universum zu 99%, unbekannt.
• Gesamtmasse auch dann viel zu gering für ein geschlossenes Universum.
• Theorie: Dunkle Materie könnte sowohl baryonischer als auch nicht-baryonischer
Natur sein (Beispiel: WIMPS).
• Dunkle Materie dominiert interne Kinematik, Verklumpungseigenschaften und
Bewegung galaktischer Systeme.
• Dunkle Materie wichtig für Ausbildung und Entwicklung von Struktur im Universum.
• Ohne dunkle Materie ist die Bildung von Galaxien nicht möglich!
Gibt es außer der Rotationsanomalie von Galaxien weitere Hinweise auf die
Existenz von „Dunkler Materie“ ?
Evidenzen für die Existenz „Dunkler Materie“
• 0,3 pc:
Raumsonden und Planetenbahnen in unserem Sonnensystem.
• 2–100 pc:
Geschwindigkeitsdispersion in Kugelsternhaufen und planetarischen
Nebeln.
• 1–100 kpc:
Rotationskurven von Zwerggalaxien, elliptischen Galaxien und
Spiralgalaxien.
• 2–10 Mpc:
Massenbestimmung von Galaxienhaufen.
• 25–200 Mpc:
Großräumige Strukturen (Superhaufen, Voids, Zelluläre Strukturen):
Analyse von Geschwindigkeits- und Massenverteilungen.
• ∼ 1Gpc:
Kosmologische Modelle und die kosmische Hintergrundstrahlung (CMB)
Hypothetische Natur der „Dunklen Materie“
• Baryonische dunkle Materie −→ massive kompakte Halo-Objekte MACHOS.
- Rote und braune Zwerge
- Weiße Zwerge
- Neutronensterne und schwarze Löcher
- Gasförmiger Wasserstoff
• Exotische Materie −→ schwach wechselwirkende massive Teilchen WIMPS.
- Neutrinos
- Neutralinos
- Axions
-…
• Modifiziertes Gravitationsgesetz −→ MOND (Modified Newtonian Dynamics)
„Dunkle Materie“
Es gibt noch viele Fragen und
keine belastbare Antworten…
Und was hätte Bert Brecht dazu zu
sagen?
„Wir stehen selbst enttäuscht und
sehn betroffen / Den Vorhang zu
und alle Fragen offen.“
Der gute Mensch von Sezuan
Berechnung der Struktur der Galaxienverteilung im Kosmos mit unterschiedlichen
Anteil an gravitativ wirksamer Dunkler Materie
Reale Galaxienverteilung im Kosmos
Galaxienhaufen
Abell 1689
Aus Gravitationslinsenabbildungen
abgeleitete Verteilung der Dunklen
Materie