milchstraße sternbild
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Das Buch zur Vorlesung 500 Seiten Format: A4 sw gebunden Kann nur vom Autor erworben werden Inhalt von Teil II • • • • • • • • • • • • 1. Das Beobachtbare Universum ist endlich! von Ptolemäus zu Lemaître, XDF und CMB 2. Messen bis an die Grenzen des Universums Distanzen, z, HUdF, Supernovae Ia, CMB 3. Kosmische Sphären Geometrie des Universums Gravitation ist Geometrie RaumZeit Krümmung 4. Die Expansion des Universums Beschleunigung 5. Was wissen wir über das Frühe Universum? Big Bang, Inflation, Quark-Gluon Plasma, H, He, Li 6. Der Kosmische Mikrowellenhintergrund CMB Temperatur, Anisotropien, Interpretation, Planck 7. Wie entstehen Strukturen im Universum ? Quantenfluktuationen und der Cosmic Web Das Universum jenseits der Milchstraße Max Camenzind Akademie Heidelberg im August 2014 Übersicht • • • • • • • • • • Das Universum des 17. Jahrhunderts von Johannes Kepler zu Newton Messier Nebel und das 18./19. Jahrhundert Der Messier Katalog, William Herschel Die Große Debatte von 1920 Cepheiden Sind „Nebel“ galaktisch oder extragalaktisch? Das Lemaître-Hubble-Gesetz – bis 400 Mpc Die Welt der Galaxien expandiert! 85 Jahre Hubble-Konstante, UdF & XdF Was besagt die Hubble-Konstante? Universum mit bloßem Auge - der Eindruck täuschte die Menschheit Das Universum ohne Teleskop Nur Sterne, Planeten & Band der Milchstraße „Wir sind Teil des Universums und das Universum ist Teil von uns“, Carol and Mike Werner 5 kosmische Revolutionen 2. Jh.: Claudius Ptolemäus (Physik des Aristoteles) Modell: Erd-zentriertes Universum, versucht Planetenbahnen zu erkl. Absurde Idee: Erde und Kosmos gehorchen verschiedenen Gesetzen 16./17. Jh.: Nicolaus Copernicus, Kepler Physik Newton Modell: Sonnen-zentriertes Universum, Gravitationskraft Idee: Universelle Physik; dieselben Gesetze Erde & Kosmos 1922-1927: A. Friedmann, Georges Lemaître (Physik Einstein) Modell: “Big Bang Kosmologie”, Universum expandiert Idee: Universum entwickelt sich fortwährend 1933: 1998: Fritz Zwicky Dunkle Materie im Coma-Haufen Perlmutter, Riess & Schmidt (Lemaître Universum) Modell: Dunkle Energie, Universum expandiert beschleunigt Idee: Gravitatives Vakuum ist nicht leer! Geozentrisches Weltbild – Irreführung Geozentrisches Weltbild Claudius Ptolemäus, 100 - 170 AD Mond Erde Venus Sonne Mars Jupiter Saturn FixsternSphäre rotiert – nicht die Erde …“das ist die natürliche Bewegung der Erde ….ist in Richtung des Zentrums des Universums; deshalb muss die Erde das Zentrum sein.” Aristoteles, “De Caelo” Künstlerische Darstellung des geozentrischen Universums Ptolemäisches Weltbild • Erde ruht ihm Mittelpunkt des Universums. • Durchsichtige Sphären drehen sich mit Planeten, Sonne und Fixsterne um Erde • Himmel und Erde streng durch Mondsphäre getrennt sublunare und supralunare Welt. • Kometen sind unterhalb der Mondsphäre angesiedelt! • Fixsternsphäre ist ca. 20.000 Erdradien entfernt, die Fixsternsphäre rotiert! • Noch keine „Kräfte“, dafür „Prinzipien“ Paradigmen-Wechsel ~ 1600 Aristarch von Samos Ptolemäus Mittelalter (310 – 230 v. Chr.) Kopernikus (1473 - 1543) Von Aristoteles zu Newton Aristoteles führt das Abendland fast 2000 Jahre lang in die Irre. Die Kopernikanische Wende > 1547 FixsternSphäre rotiert nicht. Die Erde rotiert! Auf- und Untergang der Sterne Planeten aber immer noch Kreisbahnen! Die Erde rotiert Himmelsrotation Polarstern – Nordpol der Erdachse Circumpolare Sterne - “Around the Pole” Sterne - Geht nie unter den Horizont des des Himmels bei gegebener Breite Nicht-circumpolare Sterne - Gehen auf und unter im Laufe einer Nacht. Horizont – wo der Himmel auf die Erde trifft Bild: http://apod.nasa.gov/apod/ap051220.html Giordano Bruno landet 1600 auf Scheiterhaufen “Das Weltall ist unendlich” Kepler erklärt 1609 das Sonnensystem Planeten ZwergPlaneten Was ist jenseits der Fixsternsphäre? Raum außerhalb war vor 1920 nicht bekannt! Camille Flammarion, 1888, Holzstich „Wanderer am Weltenrand“ 19. Jh. - Was ist die Milchstraße ? Milky Way over Yellowstone / APOD 2014 Tintoretto 1575 “Entstehung der Milchstraße” / Die Entstehung der Milchstrasse aus griechischer Sicht: als der Held Herakles an der Brust der Göttermutter Hera gesäugt werden soll, spritzt die Milch über den Himmel. … durch Auszählen der Sterne Staub-Extinktion noch nicht bekannt Band der Milchstraße über der Emberger Alm Milchstraße in äquatorialen Koordinaten PPMX: 18 Mio. Sterne / S. Röser et al. 2008 The Milky Way (Our Galaxy) IR-Aufnahme Milliarden von Sternen, Staub und Gas, sowie den Magellanschen Wolken 27 Charles Messier 1764 – 1782 Katalog von nicht-Kometen Nebeln Frage: Was sind Spiralnebel? Welt der Messier Nebel Streitobjekt Andromeda Nebel Die Shapley-Curtis Debatte von 1920 Curtis Shapley Spiral-Nebel Galaxis Galaxis Die Debatte ergab kein brauchbares Ergebnis! “Wissenschaftliche Fragen werden nicht durch Debatten gelöst, sondern durch Beobachtungen & Experimente” Heber Curtis, Lick Observatory Mount Wilson: Harlow Shapley Distanzen von Galaxien ? • Geometrische Distanzen (selten möglich, z.B. Supernova 1987A). • Eichkerzen: d² = L / 4p f ; L bekannt, f gem. • (i) RR-Lyrae Sterne (~ 0,5 Sonnenmassen), Riesensterne der Spektralklasse A, F, Pulsationsveränderliche (Horizontalast-Bereich) • (ii) Delta Cephei Sterne ( < 25 Mpc, seit 1912) • (iii) hellste Sterne (nicht gut definiert) • (iv) Zentralsterne Planetarischer Nebel • (v) Supernovae vom Typ Ia ( z < 2, seit 1990 ) Kosmische Eichkerzen Je weiter entfernt, umso schwächer Kosmische Distanz-Leiter Skala: Megaparsec = 3,26 Mio. Lichtjahre Kosmische Distanz-Leiter • • • • • Parallaxe: < 500 pc (Hipparcos), < 100 kpc (GAIA) Spektroskopische Parallaxe (über Distanzmodul): 10 kpc RR Lyrae Sterne: < 100 kpc Cepheiden (10.000 LS): < 30 Mpc Typ Ia Supernovae (1 Mrd. LS): < 10.000 Mpc GAIA Cepheiden als Eichkerzen • Die Cepheiden sind eine Klasse von veränderlichen Sternen, die nach dem Stern δ Cephei im Sternbild Cepheus benannt sind, eine Unterklasse der Pulsationsveränderlichen. • Cepheiden verändern ihre Leuchtkraft streng periodisch, dabei verändert sich auch ihre Oberflächentemperatur und somit ihre Spektralklasse Pulsationen. Der Stern d Cephei veränderlicher Stern im Sternbild Cepheus, dessen Veränderlichkeit 1784 vom englischen Astronomen John Goodricke entdeckt wurde Variable Sterne - Cepheiden Einige Sterne zeigen intrinsische Helligkeitsvariationen, die nicht auf Verdunklung im Doppelsternsystem zurückgehen Sägezahn-artig Wichtigstes Beispiel: d Cephei Lichtkurve von d Cephei SMC Henrietta Leavitt 1868 – 1921 Harvard Die “Periode” (Dauer) der Pulsation korreliert mit der Leuchtkraft 1. Messe Periode 2. Leuchtkraft 1. Messe scheinbare Helligkeit 2. µ=m-M Distanzmodul µ = 5 log(d10) Distanz Leuchtkraft in LS MV = - 2,81 log(P/d) – 1,43 Die Leuchtkraft des beobachteten Sterns ~1500L Periode in Tagen Leavitt-Gesetz – Moderne Version Spitzer-HST / Magellansche Wolken Amerika dominiert die Astronomie von 1918 - 1980 60 Zoll 1908 auf 1700 m Höhe ! 100 Zoll 1917 2,54 m Amerika dominiert die Astronomie Hubble 1923 - Hubble misst die Distanz zu M 31 mittels Cepheiden Hubble entdeckt Cepheiden in M 31 Debatte gelöst! 100-inch Hooker Telescope, Mt. Wilson Edwin Hubble 1924 löst Edwin Hubble die Debatte auf Andromeda ist 1 Mio. Lichtjahre entfernt ! Cepheide V1 Lichtkurve Hubble-Cepheide V1 Originalplot Hubble 1923 M31 – V1: Periode = 31,40 Tage Templeton et al., arXiv:1111.0262 Hubble hat 1924 die Debatte entschieden mittels Cepheide V1 in M31 “Hubble’s V1 is the most important star in the history of cosmology” Lichtkurve Hubble-Cepheide V1 Shapley: “Here is the letter that destroyed my universe.” 68 Cepheiden in Andromeda Adam G. Riess et al. 2011 arXiv:1110.3769 / HST Moderne Distanz Andromeda Adam G. Riess et al. 2011 arXiv:1110.3769 / HST F160W µ0 = 24,42(0,05) mag D = 765 +/- 28 kpc = 2,5 Mio. Lichtjahre F110W µ = m - M = 5 log(D/10 pc) Jenseits der Milchstraße II Lokale Gruppe = Lokales Universum Halo der Milchstraße Jenseits der Milchstraße Virgo-Haufen Jenseits der Milchstraße Lokales Universum: Virgo-Haufen … Virgo-Haufen 5000 km/s = 70 Mpc Galaxien Bausteine Universums M 86 M 88 M 84 NGC 4477 NGC 4473 M 91 M 87 M 90 M 89 Image: Rogelio Bernal Andreo Virgo-Haufen 16 Mpc entfernt NGC 4438/Augen Scheiben-Galaxien rotieren schnell Balken-Spirale Elliptische Galaxien ~ riesige Sternhaufen Irreguläre Galaxien Vesto Slipher, Wirtz, Hubble 1920er je weiter entfernt um so stärker rotverschoben - Weit entfernte Galaxie - Entfernte Galaxie - NachbarGalaxie - Stern - Labor z = (lB – l0)/l0 Astronom: V = c z Spektrograf im Eigenbau Digitales Spektrum E Galaxie dominiert durch massearme Sterne kein UV keine A, B, O Sterne TiO Banden M Zwerge Nicht viel Emission im Blauen! z = 4,58 Seit 1963: Quasare haben charakteristische Emissions-Spektren z = 4,96 Vesto Slipher 1875 – 1969 Lowell Observatory Flagstaff Als Erstem gelang ihm 1912-1915 die schwierige Messung der Radialgeschwindigkeit des Andromeda Nebels und bis 1915 von 14 weiteren Galaxien Rotverschiebung der Galaxien. Vesto Slipher und sein Spektrograf Carl Wilhelm Wirtz 1876 – 1939 Straßbourg – Kiel – “Hubble ohne Teleskop” 2 Beziehungen, zuerst die zwischen Helligkeit und Radialgeschwindigkeit, dann die zwischen Winkeldurchmesser und Radialgeschwindigkeit von Nebeln. I. Appenzeller, 2009: Carl Wirtz und die Hubble-Beziehung, SuW 48/11 Edwin Hubble 1889 – 1953 Mount Wilson - Palomar Kannte Lemaître nicht ? Durchbruch 1929: cz = H0d Lemaître 1927 & Hubble 1929 fanden, dass entfernte Galaxien scheinbar größere Rotverschiebung aufweisen. z l l • Messe die Rotverschiebung z, leite daraus die “Fluchtgeschwindigkeit” her v cz Hubble 1929 cz = H0D Eigenbewegung der Galaxien im Virgo-Haufen Hubble 1929 H0: Hubble-Konstante • Milton Humason erinnert sich: “The velocity-distance relationship started after one of the IAU meetings, I think it was held in Holland (1927). And Dr. Hubble came home rather excited about the fact that two or three scientists over there, astronomers, had suggested that the fainter the nebulae were the more distant they were and the larger the red shifts would be. And he talked to me and asked me if I would try and check that out. Well, our trouble was that our spectrographs were extremely slow -- that was back in about 1927 or ‘28. We had prisms in the spectrographs then and they were made of, a lot of them, of yellow glass which didn’t let the ultra-violet light through and the exposures were extremely long. I agreed to try one exposure, and as I remember it lasted over a period of about two nights. I exposed the plate for two nights and got one of the brighter nebula whose velocity wasn’t then known. Of course Slipher had taken the brighter ones -you’re probably aware of that in Flagstaff and he had velocities of some -- I think -- 25 nebulae that he’d gotten in Flagstaff or redshifts. Some of them were negative, some of them positive, and the largest one was about 1800 kilometers per second.” Erste Messung der Hubble-Konstanten Warum also “Hubble-Gesetz” ? HST Hubble-Projekt mit Cepheiden Eigenbewegung der Galaxien wird korrigiert Freedman et al. (2001), The Astrophysical Journal 553, 47 morgen Interpretatio Das „Universum“ expandiert Lemaître 1927 - 1933 heute gestern Urknall 1936 Humason Erweiterung bis z = 0,2 Humason – Hubble – Michelson – Einstein 1931 auf Mount Wilson Mount Palomar 200 Zoll (5 m), 1948 erbaut, dominiert die die Astronomie weitere 30 Jahre Hubble kann es jedoch kaum nutzen! Er stirbt 1953. Allan Sandage setzte ab 1953 die Tradition fort Der Basler Gustav Tammann kooperiert eng. Die lange Geschichte von H0 1200 Compilation by John Huchra H0 (km/s/Mpc) 1000 800 Baade identifies Pop. I and II Cepheids 600 “Brightest stars” identified as H II regions 400 200 Jan Oort 0 1920 1930 1940 1950 1960 Date 1970 1980 1990 2000 “Der 20-jährige Krieg” Sandage, Tammann vs de Vaucouleurs general 140 cosmology dependent Key project Sandage camp H0 (km/s/Mpc) 120 de Vaucouleurs camp 100 80 60 40 20 0 1970 1980 1990 2000 Date Compilation by John Huchra Vernünftige Konvergenz erst seit 1996 ! Konvergenz Hubble-Konstante H0 Riess et al. 2011 73,8 +/- 2,3 de Vaucouleurs Sandage & Tammann Jahr arXiv:1112.3108 Bedeutung der Hubble-Konstanten • 1. H0 bestimmt die Skala des Universums: RH = c/H0 = 4222 Mpc : Hubble-Radius beobachtbares Universum wird damit eingeschränkt. • 2. H0 bestimmt das Alter des Universums: tH = 1/H0 = 13,7 Mrd. Jahre : HubbleAlter, effektives Alter hängt von Dichte ab. • Beachte: Das Hubble-Alter ist nur eine grobe Schätzung für das Alter des heutigen Universums. • 3. „Kritische Dichte“ Dichteskalierung: rcrit = 3H0²/8pG ~ 1 Galaxie / Mpc³ Jenseits der Milchstraße Vermessung des Lokalen Universums Jenseits der Milchstraße Das Lokale Universum in 3D Video Galaxien sichtbaren Bausteine des Universums Hubble Ultra-Deep Field 80 Jahre Vorstoss ins Universum 1930 Hubble und ESO's VLT erzeugen 3D Sicht weit entfernter Galaxien ~ 8.000 Galaxien bis 13 Mrd. LJ Hubble UdF 2004 Kleiner Ausschnitt 4 arcmin 1/30 Mio. des gesamten Himmels 100 Mrd. Galaxien sichtbar Hubble UdF/XDF 2012 ~ 5.600 Galaxien bis z ~ 10 Hubble XDF 2012 Galaxie UDFy-38135539 z=8,6 noch in der Reionisations-Epoche ~ 5.600 Galaxien bis z ~ 10 Hubble XDF 2012 Zusammenfassung • Erst Teleskope erlauben einen tieferen Blick ins Universum – Kosmische Photosphäre bildet Rand • 1687: Isaac Newton findet die Gravitationskraft Universum wird durch Gravitation beherrscht. • 1915: Einstein revidiert Newton Gravitation ist keine Kraft, sondern Eigenschaft der RaumZeit Expansion erzeugt die Rotverschiebung. • 1927: Lemaître leitet zum ersten Male die lineare Beziehung cz = H0 D aus der Theorie ab Lemaître-Hubble-Gesetz. • Das heute beobachtbare Universum ist endlich (HuDF & XdF) und ist 13,8 Milliarden Jahre alt enthält ~ 100 Mrd. helle Galaxien!
