CF - Max-Planck-Institut für Astronomie
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Astronomie für Nicht­Physiker SS 2013 18.4. Astronomie heute (Just, Fendt) 25.4. Sonne, Erde, Mond (Fohlmeister) 2.5. Das Planetensystem (Fohlmeister) 16.5. Teleskope, Instrumente, Daten (Fendt) 23.5. Geschichte der Astronomie (Just) 6.6. Sterne: Zustandsgrößen (Fendt) 13.6. Sterne: Entstehung & Entwicklung (Fendt) 20.6. Die Milchstraße (Just) 27.6. Astrochemie, Exoplaneten & Leben (Fendt) 4.7. Galaxien (Just) 11.7. Aktive Galaxien, Quasare und Schwarze Löcher (Fendt) 18.7. Urknall und Expansion des Universums (Just) 25.7. Weltmodelle (Just) 1.8. 16:00 Besuch MPIA/LSW (Fendt) Astronomie für Nicht­Physiker SS 2013 11.7. Aktive Galaxien, Quasare & Schwarze Löcher (Fendt) Inhalt: 1) Galaxien und Aktive Galaxien 2) Quasare 3) AGN-Zoo 4) Schwarze Löcher Aktive Galaxien, Quasare, Schwarze Löcher Galaxien & “aktive” Galaxien Aktive Galaxien, Quasare, Schwarze Löcher Galaxien: ”Sterneninseln”: - bestehen aus Sternen, Gas, Staub & Dunkler Materie, Magnetfeldern, .... - Massen 107 bis 1014 Sonnenmassen Hubble-Sequenz: Sequenz verschiedener Typen von Galaxien, - KEINE Entwicklung innerhalb dieser Sequenz - Entstehung der Sequenz eigentlich unbekannt - Galaxienentstehung und -entwicklung zum großen Teil noch unverstanden “Typen”: Spiralen, Balkenspiralen, Ellipsen, Zwerggalaxien, ... “Aktive Galaxien”: -> Strahlungsenergie hauptsächlich NICHT von den Sternen der Galaxie: z.T. starke Radio- und Röntgenstrahlung, anderes Spektrum -> Starke Strahlungsvariablität -> “Zoo”: Seyfert-Galaxien, Quasare (radiolaut/-leise), Radiogalaxien, “Starburst”-Galaxien, LINER, Blazare Aktive Galaxien, Quasare, Schwarze Löcher Galaxien: GEMS-Durchmusterung & B.Häußler, M. Barden Aktive Galaxien, Quasare, Schwarze Löcher Spektrum einer “normalen” Galaxie: -> zusammengesetzt aus den Spektren 1) der Sterne, 2) des Staubes, und 3) des Gases z.B. Sonnenspektrum: Aktive Galaxien, Quasare, Schwarze Löcher Spektrum einer “normalen” Galaxie: -> zusammengesetzt aus den Spektren 1) der Sterne, 2) des Staubes, und 3) des Gases Aktive Galaxien, Quasare, Schwarze Löcher Aktive Galaxien: Seyfert-Galaxien: -> heller Galaxienkern -> Spektrum mit starken Emissionslinien -> Emissionslinien deuten auf hohe Geschwindigkeiten hin (Dopplereffekt) -> z.T. starke Strahlung im Radio-, Infrarot-, UV-, Röntgen-, Gammabereich -> benannt nach Carl Seyfert (Pionierarbeiten zu S-Galaxien 1940) HST-Bild -> nicht-thermische Strahlung, Strahlung im Radio-, Röntgen-, und Gamma-Bereich wird nicht von einem “heißen Gas” erzeugt wird (kein Planck-Spektrum) -> andere Strahlungsprozesse Aktive Galaxien, Quasare, Schwarze Löcher Seyfert-Galaxien: Helligkeit (versch. Einheiten) -> Variabilität: z.B. Markarian 79 (Breedt et al. 2009) im Optischen (u- und V-Filter) und im Röntgen Zeit (Tage) Aktive Galaxien, Quasare, Schwarze Löcher Aktive Galaxien: Radio-Galaxien: -> Entdeckungen starker Radiostrahlung ab den 1950er Jahren -> Identifikation der Radiostrahler mit optischen Quellen, z.B. Sonne, Milchraße, aber auch ferne Galaxien (Bolton et al. 1949) -> Radiogalaxien: z.B. Radioquelle CenA = optische Galaxie NGC 5128 -> Radiostrahlung meist aus zwei entgegengesetzten Gebieten der Galaxie: Radiobögen (“lobes”) -> Radiostrahlung = nicht-thermisch (SynchrotronStrahlung von Elektronen im Magnetfeld) Cyg A = 6cm Radio, Perley et al (1984) Aktive Galaxien, Quasare, Schwarze Löcher Quasare 50 Jahre Quasare Maarten Schmidt: “3C 273: A star-like object with large red-shift”, Nature, 197 (1963) Aktive Galaxien, Quasare, Schwarze Löcher Quasare: -> Aufbau der Radio-Astronomie in den 1950ern -> z.T. Radioquellen am Himmel -> Problem der Identifizierung (Auflösungsvermögen der Teleskope) -> erste Identifizierung von Maarten Schmidt 1963 Radioquelle 3C273 mit optischer (blauer) Punktquelle identifiziert -> hohe Rotverschiebung / Entfernung -> was ist das??? ein Stern??? -> Name: Quasi-stellare Radioquelle (Quasar) -> physikalisches Verständnis lange unklar (auch heute nicht voll verstanden) Heute: - mehr als 200,000 Quasare bekannt (SDSS-Himmelsdurchmusterung) -> Rotverschiebungen zwischen 0.056 und 7.085 - Mehrzahl der Quasare strahlt nicht im Radiobereich -> QSO (quasi-stellar object) Aktive Galaxien, Quasare, Schwarze Löcher Quasare: Optisches Spektrum: starke Emissionslinien, z.T. mit hoher Rotverschiebung z -> beob= (1+z) Quelle Aktive Galaxien, Quasare, Schwarze Löcher 3C 273 Der hellste Quasar ... -> scheinbare Helligkeit 12.8 mag (sichtbar mit Amateurteleskop) -> absolute Helligkeit -26.7 mag -> wäre er 33 Lj entfernt, wäre er so hell wie Sonne am Himmel (d.h. 1000 Mrd mal leuchtkräftiger als die Sonne) Optische Aufnahmen (Radioemission kommt vom Jet): NOAO/AURA/NSF Aktive Galaxien, Quasare, Schwarze Löcher Aktive Galaxien, Quasare, Schwarze Löcher Quasare: Entferntester (bekannter) Quasar: ULAS J1120+0641 Licht des Quasars vor 12.9 Mrd Jahren gestartet (Weltall war erst 770 MioJahre alt) Rotverschiebung z=7.1 (entdeckt 2011) UKIRT/Liverpool Telescope Aktive Galaxien, Quasare, Schwarze Löcher Quasare: Einstein Cross Quasar bei 8 Mrd Lj Entfernung. Strahlung wird verstärkt und aufgefächert durch die Gravitation einer Galaxie im Vordergrund (ZW 2237+030 bei 400 Mio Lj Entfernung). Durchmesser (am Himmel): Galaxie: 0.87x0.34 Bogenminuten Einsteinkreuz: 1.6<1.6 Bogensekunden Aktive Galaxien, Quasare, Schwarze Löcher Quasare: Einstein Cross Aktive Galaxien, Quasare, Schwarze Löcher Jets Aktive Galaxien, Quasare, Schwarze Löcher Aktive Galaxien: Radio-Galaxien: -> Entdeckungen starker Radiostrahlung ab den 1950er Jahren -> Identifikation der Radiostrahler mit optischen Quellen, z.B. Sonne, Milchraße, aber auch ferne Galaxien (Bolton et al. 1949) -> Radiogalaxien: z.B. Radioquelle CenA = optische Galaxie NGC 5128 -> Radiostrahlung meist aus zwei entgegengesetzten Gebieten der Galaxie: Radiobögen (“lobes”) -> Radiostrahlung = nicht-thermisch (SynchrotronStrahlung von Elektronen im Magnetfeld) Cyg A = 6cm Radio, Perley et al (1984) Aktive Galaxien, Quasare, Schwarze Löcher Nomenklatur extragalaktischer Radioquellen: - Kern: zentrale Energiequelle, aktive Kernregion (AGN) = massereiches Schwazes Loch + Akkretionsscheibe - Jet (Strahl): relativistisch schnell, heißes Gas (Plasma) mit Magnetfeld, “knotige” Struktur - Gegen-Jet: oft nur teilweise sichtbar - “hot spots”: Stoßwelle des Jets im Umgebungsgas -> Heizung - Kokon: Schicht von Material um den Jet, das zurueck fliesst - Bögen: bogenförmige Anordung aufgeheizten Gases, max. Auflösung: 0.00015 '' ~ 0.1pc = 130 Lichttage Aktive Galaxien, Quasare, Schwarze Löcher Centaurus A Jet (meist im Radio-Licht): gebündelter Strahl aus dem Zentrum der Galaxie E0-elliptische Galaxie Position am Himmel: R.A.: 13 h : 25.5m; Dek: -43°:01' Distanz: 10.000.000 Lichtjahre (Lj) Durchmesser: 18.2 Bogenminuten Helligkeit: 7.0 mag -> hellste & nächste der Riesen-Radio-Galaxien Aktive Galaxien, Quasare, Schwarze Löcher Centaurus A maßstäblicher Größenvergleich am Himmel www.noao.edu/image_gallery/images/d3/Fu llMoon.jpg Aktive Galaxien, Quasare, Schwarze Löcher Centaurus A - Äußere Radiobögen (z.B. Junkes et al 1990) - Jet-Gesamtausdehnung ~ 10 Grad !! (= 2 Mio Lj) APOD apod/ap110413.html CSIRO-ATCA, Parkes, Morganti, 2009, Junkes 1999 - Innere Radio-Jets (Burns et al 1983) Aktive Galaxien, Quasare, Schwarze Löcher Geschwindigkeit der Jets von Galaxien: -> Eigenbewegung der Knoten am Himmel (bei bekannter Entfernung) -> v = L / t Geschwindigkeit = Wegstrecke pro Zeit für M87 : v = 6 c !!!! -> scheinbare Überlichtgeschwindigkeit !? -> geometrischer Effekt der Relativitätstheorie Aktive Galaxien, Quasare, Schwarze Löcher Quelle, t=0 Scheinbare Überlichtgeschwindigkeit: -> Zeit t = 0 wenn 1. Signal gesendet Zeit t = t wenn 2. Signal gesendet -> Ankunft des 1.Signals: t1=D /c -> Projezierte Bahn der Quelle: Entfernung Bei relativistischer Bewegung =v/c in Richtung Beobachter: Quelle, t=t senkrecht zur Sichtlinie: d = t sin() parallel zur Sichtlinie: d' = t cos() -> Ankunft des 2. Signals: D−d ' D t2= t = t − t cos c c Beobachter Aktive Galaxien, Quasare, Schwarze Löcher Scheinbare Überlichtgeschwindigkeit: Scheinbare Geschwindigkeit senkrecht zur Sichtlinie: Bei fester Geschwindikeit app wird maximal für Dann ist cos max = d t 2− t 1 sin 1−cos v/c ist = = app d app d =0 und app , max = mit = Überlichtgeschwindigkeit app ,max 1 v c/ 2 = 0.71c ist möglich wenn also 1/ 2 1 1−2 Aktive Galaxien, Quasare, Schwarze Löcher Scheinbare Überlichtgeschwindigkeit: d sin app = = t 2−t 1 1−cos Aktive Galaxien, Quasare, Schwarze Löcher Jet von 3C279 Zeitserie 1995-2001: Auswurf von “Knoten” aus dem Kern der Radioquelle 3C279 -> korreliert mit Helligkeitsausbrüchen des Kerns -> “Knoten” im Radio -> Ausbruch im IR, X -> Knotengeschw. ~ 4c Aktive Galaxien, Quasare, Schwarze Löcher Der “Zoo” der AGN Aktive Galaxien, Quasare, Schwarze Löcher “Aktive Galaxien”: -> Strahlungsenergie hauptsächlich NICHT von den Sternen der Galaxie: z.T. starke Radio- und Röntgenstrahlung, anderes Spektrum -> nicht-thermisch -> Starke Strahlungsvariablität -> “Zoo”: Seyfert-Galaxien, Quasare (radiolaut/-leise), Radiogalaxien, “Starburst”-Galaxien, LINER, Blazare, ... -> Modell-Vorstellung: 1) Aktivität wird von den Galaxienkernen getrieben -> Active Galactic Nuclei, AGN 2) Erscheinungsformen der AGN: eine Mischung aus Sichtwinkel und physikalischen Prozessen Aktive Galaxien, Quasare, Schwarze Löcher “Aktive Galaxien”: Unified model / Standard-Modell: - Zentrales Schwarzes Loch - Staub-Torus - Akkretions-Scheibe - Gaswolken schnell / langsam - Jet (relativistisch) Aktive Galaxien, Quasare, Schwarze Löcher “Aktive Galaxien”: Unified model / Standard-Modell: “Physik”: - mit/ohne Radiostrahlung = mit/ohne Jet “Sichtwinkel”: - Seyfert-Galaxien - Blazare - Galaxien mit breiten/schmalen Emissionslinien Aktive Galaxien, Quasare, Schwarze Löcher “Aktive Galaxien”: Unified model / Standard-Modell: “Physik”: - mit/ohne Radiostrahlung = mit/ohne Jet “Sichtwinkel”: - Seyfert-Galaxien - Blazare - Galaxien mit breiten/schmalen Emissionslinien Aktive Galaxien, Quasare, Schwarze Löcher “Aktive Galaxien”: Aktuelle Forschung (z.B. Fendt et al.): Entstehung der Jets: Computersimulationen der Wechselwirkung zwischen Magnetfeldern und der heißen Materie: Jetentstehung aus Akkretionsscheiben Aktive Galaxien, Quasare, Schwarze Löcher Schwarze Löcher Aktive Galaxien, Quasare, Schwarze Löcher Schwarze Löcher: können verschiedene Massen haben: -> Endstadien der Sternentwicklung: Masse > 3 Sonnenmassen -> Zentren von Galaxien: Massen bis zu 100 Mrd. Sonnenmassen Was ist ein Schwarzes Loch? -> Region in der Raumzeit, die nicht mit der Außenwelt kommunizieren kann. Die Grenze dieser Region wird Oberfläche des Schwarzen Lochs genannt, oder Ereignishorizont (von Shapiro & Teukolski) -> Lösung der Einstein'schen Feldgleichungen für die Raumzeit -> “einfache” Lösungen für die Vermessung der Raumzeit (Metrik): Schwarzschild-Metrik, Kerr-Metrik, .... Entstehung Schwarzer Löcher: Kollaps einer Masse, der durch keine anderen Kräfte aufgehalten werden kann -> Gravitationskraft überwiegt (elektr. Kräfte, Kernkräfte) -> passiert, wenn alle Masse unter bestimmten Radius fällt Aktive Galaxien, Quasare, Schwarze Löcher Eigenschaften eines Schwarzen Lochs? 3 Parameter: Masse, Drehimpuls,elektr. Ladung, andere Informationen werden abgestrahlt (EM, Gravitationswellen) -> “No-Hair-Theorem” (für Schwarze Löcher im Vakuum) -> Horizont: kugelförmige Fläche um das Schwarze Loch , von der aus ein Entweichen unmöglich wird Fluchtgeschwindigkeit = Lichtgeschwindigkeit 2GM R = Kugelradius: “Schwarzschildradius” (ohne Rotation) S 2 c Sonne RS = 3 km, Erde RS = 9 mm Galaxienzentrum mit 10 Mrd Sonnenmassen, RS = 3 x 1010 km = 200 AE -> Gezeitenkräfte: Kraft-Unterschiede innerhalb eines Körpers/Sterns/Planeten im Gravitationsfeld eines anderen Körpers Aktive Galaxien, Quasare, Schwarze Löcher Eigenschaften Schwarzer Löcher: Masse, Rotation (Drehimpuls), Ladung (unwahrscheinlich) -> “No-Hair-Theorem” (für Schwarze Löcher im Vakuum) von Andreas Müller, www.wissenschaft-online.de/astrowissen Aktive Galaxien, Quasare, Schwarze Löcher Gezeitenkraft Schwarzer Löcher: -> Gezeitenkräfte: Kraft-Unterschiede innerhalb eines Körpers/Sterns/Planeten (Größe d) im Gravitationsfeld eines anderen Körpers (Mass M, Abstand r) ag= 2GM d r3 Beispiel: Schwarzes Loch mit 10 MO -> Gezeitenkräfte sind bei 15.000 km Abstand “spürbar” -> bei 8.000 km bereits Kräfte der vierfachen Erdbeschleunigung (ag = 4g) -> bei 3.000 km Abstand wird man mit 15 g auseinandergezogen -> “Spaghettifizierung” Beispiel: Schwarzes Loch mit 100 Mio. MO -> Gezeitenkräfte bei 100 km Abstand vom Horizont: ag = 0.0000002 g (Horizontradius = 300 Mio km) Aktive Galaxien, Quasare, Schwarze Löcher Im Schwarzen Loch: Was passiert mit Masse im SL? -> unbekannt! Kollaps kann nicht aufgehalten werden -> Fall in die Singularität ? Massedichten > 1017 g/cm3 für Sonnenmasse > 0.4 g/cm3 für 1 Mrd Sonnenmassen -> zentrale Singularität, kausal vom Außenraum entkoppelt (??) Quantengravitation = Quantenphysik + Gravitationstheorie -> Verhindert sie Singularität ?? ? Aktive Galaxien, Quasare, Schwarze Löcher Geschichte der Schwarzen Löcher? - 1783: John Michell: “Dark stars” : Körper mit 500 MO Entweichgeschwindigkeit > c - 1795: Laplace: Newton'sche Korpuskulartheorie + Gravitation: ve = (2GM/r)1/2 = c - 1915: Einstein: Allgemeine Relativitätstheorie (ART) - 1916: K.Schwarzschild: Lösung der Einsteingleichungen für sphärische Masse: -> Schwarzschild-Metrik -> Einstein: “I had not expected that the exact solution to the problem could be formulated” - 1935: (Chandrasekhar -) Eddington: “... when garvity becomes strong enough to hold the radiation ... I think .. there should be a law in Nature to prevent the star from behaving in this absurd way” - 1939: Oppenheimer & Snyder: -> Kollapsrechnung in ART: 1. Berechnung der Entstehung eines SL - 1963: Kerr: Lösung der Feld-Gleichungen für rotierendes Loch: Kerr-Metrik - 1968: Wheeler: “Black Hole”, no-hair theorem => Suche nach Schwarzen Löchern? -> indirekte Beobachtung: -> tiefer Potentialtopf -> heisses Gas, hohe Geschwindigkeiten: - 1963: Quasare, - 1962: Kompakte Röntgenquellen, - 1968: Pulsare - 1970er: Binärsystem Cygnus X-1, - 1990er: Mikro-Quasare Aktive Galaxien, Quasare, Schwarze Löcher Beobachtung Schwarzer Löcher: siehe www.wissenschaft-online/astrowissen/astro_sl_obs.html (Andreas Müller) Kinematischer Nachweis Bahn und Geschwindigkeit von Sternen um Schwarzes Loch: -> Wird eine sehr hohe, dunkle und dichte Masse festgestellt, so kann ein Schwarzes Loch vermutet werden Eruptiver Nachweis Sterne werden durch die Gezeitenwirkung eines Schwarzen Lochs zerrissen und strahlen dabei charakteristische Röntgenstrahlung ab Akkretiver Nachweis Schwarze Löcher sind von einer Akkretionsscheibe umgeben. Durch Reibung in der Scheibe wird diese erhitzt und strahlt eine charakteristische Strahlung ab Aberrativer Nachweis Ablenkung elektromagnetischer Strahlung durch starkes Gravitationsfeld. Z.B.durch Formverzerrung der elliptischen Bahn eines Sterns: Schwarzes Loch zwischen Beobachter und dem Stern vorhanden ist Obskurativer Nachweis Gravitationsrotverschiebung bewirkt eine schwarze Färbung am Rand um das Schwarze Loch -> meßbarer Effekt Temporaler Nachweis Zeitliche Verzerrung (Zeitdilatation), die ein Schwarzes Loch bei Objekten auslöst, die es umkreisen; Analyse der Lichtkurven Spektro-relativistischer Nachweis Linseneffekte und Gravitationsverschiebungen verfremden die Spektren der Sterne, die sich in der Umgebung von Schwarzen Löchern befinden Aktive Galaxien, Quasare, Schwarze Löcher Beobachtung Schwarzer Löocher: Bahnbewegung der Sterne nahe des Galaktischen Zentrums ~ 12000 km/s: 1 pc Mit Keplergesetz und aus Umlaufszeiten und -radien: -> Masse des Zentrums der Milchstraße ~ 3.6 Mio Sonnenmassen innerhalb 0.0002 pc -> Schwarzes Loch Ghez et al.; www.astro.ucla.edu/~ghezgroup/gc/ ESO Aktive Galaxien, Quasare, Schwarze Löcher Beobachtung Schwarzer Löcher: Schwarze Löcher “verbiegen” den Weg des Lichts (wie jede Masse etwas) Bild: berechnete Bildverformung durch ein 10 MO-Loch in 600km Entfernung (Milchstraße im Hintergrund. Anziehung (Gravitationskraft beträgt das 400-millionen fache der Erdbeschleuingung (von Wiki) Astrochemie, Exoplaneten, Leben Besuch am MPIA am 1.8.2013 1) Treffpunkt: MPI für Astronomie, Eingang: 16:00- 16:15 2a) Führung Optisches Labor (Dr. Stefan Hippler, 20 min) 3a) Führung 70cm-Teleskop MPIA (20 min) 4) Vortrag im Planetarium (30 min) 5) Besuch Teleskope LSW (40 min) 6) “Büro Fendt”: Arbeitsalltag Gruppe Raum Gruppe 1 Gruppe 2 Gruppe Fendt 12 pers 12 pers 12-20 pers Dauer Programmpunkt Treffen 16:00-16:15 115 Optics Lab 16:15 Uhr 16:35 Uhr 20 min EOK 70cm King 16:35 Uhr 16:15 Uhr 20 min Planetarium Vortrag 17:00 Uhr 30 min MPIA/LSW LSW, Fendt Ende 17:35 Uhr 18:15 Uhr 40 min Astronomie für Nicht­Physiker SS 2013 18.4. Astronomie heute (Just, Fendt) 25.4. Sonne, Erde, Mond (Fohlmeister) 2.5. Das Planetensystem (Fohlmeister) 16.5. Teleskope, Instrumente, Daten (Fendt) 23.5. Geschichte der Astronomie (Just) 6.6. Sterne: Zustandsgrößen (Fendt) 13.6. Sterne: Entstehung & Entwicklung (Fendt) 20.6. Die Milchstraße (Just) 27.6. Astrochemie, Exoplaneten & Leben (Fendt) 4.7. Galaxien (Just) 11.7. Aktive Galaxien, Quasare und Schwarze Löcher (Fendt) 18.7. Urknall und Expansion des Universums (Just) 25.7. Weltmodelle (Just) 1.8. 16:00 Besuch MPIA/LSW (Fendt)
