Kosmische Evolution für Nicht-Physiker: Wie unser Weltall wurde, was es heute ist. 7. Galaxien Teil 2

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1 Kosmische Evolution für Nicht-Physiker: Wie unser Weltall wurde, was es heute ist 7. Galaxien Teil 2 Knud Jahnke, MPIA

2 Materiekreislauf + Galaxienpopulationen

3 Zyklus der interstellaren Materie NASA/Hubble

4 Zyklus der interstellaren Materie er MJ v i at M> t i av ps: r G lla Ko Sterne Planetarische Nebel Riesen-Molekülwolken-Komplexe Zerstörung während Sternentsteh -ung Molekülwolken Su per no vae er Hüllen alt Planetariel scher Neb rund Supe ten nova-res Verschm elzen HII Koronales Gas Kühlen Kü hl en HII Region en ach n n e Kühl ession r Komp Verschmelz en + Kühlen Supernova Heizung Kaltes HI Warmes HI len Heizen oder Küh n durch Konvektio

5 Stellare Populationen 107 Jahre: weniger <1000Å 4000Å-Break 108 Jahre: UV weg NIR steigt an (Überriesen) 109 Jahre: NIR Rote Riesensterne log(leuchtkraft/masse) Einheit: 109 Jahre Etwas mehr UV (post-agb und Weiße Zwerge) Jahre: ähnlich Wellenlänge [Å]

6 Spektren von Galaxien log(leuchtkraft/masse) Alter Wellenlänge [Å]

7 Farb-Helligkeitsbeziehung (blau ) Farbe ( rot) Vor ca. 2 Mrd. Jahren Helligkeit [Magnituden]

8 Farb-Helligkeitsbeziehung (blau ) Farbe ( rot) Bimodale Verteilung! (blau ) Farbe ( rot) Helligkeit [Magnituden]

9 Farb-Helligkeitsbeziehung (blau ) Farbe ( rot) Vor 2 Mrd Jahren Helligkeit [Magnituden]

10 Farb-Helligkeitsbeziehung (blau ) Farbe ( rot) Vor 8 Mrd Jahren Helligkeit [Magnituden]

11 Farb-Helligkeitsbeziehung (blau ) Farbe ( rot) Vor 8 Mrd Jahren Helligkeit [Magnituden]

12 Stellare Populationen log(leuchtkraft/masse) Einheit: 109 Jahre Wellenlänge [Å]

13 Farb-Helligkeitsbeziehung (blau ) Farbe ( rot) Schneller Übergang! (blau ) Farbe ( rot) Helligkeit [Magnituden]

14 blau Farbe rot Stellare Populationen: Farbe mit Zeit Alter [Milliarden Jahre]

15 Farb-Helligkeitsbeziehung (blau ) Farbe ( rot) Vor 8 Mrd Jahren Helligkeit [Magnituden]

16 Farb-Helligkeitsbeziehung 1. Struktur 2. Farbe

17 Galaxienzusammenstöße

18 Manche Galaxienzusammenstöße Sternentstehungsrate Beobachtung 2 Simulation 6 Zeit

19 Farb-Helligkeitsbeziehung (blau ) Farbe ( rot) Vor 8 Mrd Jahren Helligkeit [Magnituden]

20 ? Zyklus der interstellaren Materie er MJ v i at M> t i av ps: r G lla Ko Sterne Planetarische Nebel Riesen-Molekülwolken-Komplexe Zerstörung während Sternentsteh -ung Molekülwolken Su per no vae er Hüllen alt Planetariel scher Neb rund Supe ten nova-res Verschm elzen HII Koronales Gas Kühlen Kü hl en HII Region en ach n n e Kühl ession r Komp Verschmelz en + Kühlen Supernova Heizung Kaltes HI Warmes HI len Heizen oder Küh n durch Konvektio

21 Wir brauchen einen Abschaltmechanismus für Sternentstehung!

22 Exkursion: Schwarze Löcher

23 Masse: 6x1024 kg Durchmesser: km v=11.2 km/s

24 Fluchtgeschwindigkeit Kinetische Energie + Gravitationspotential: GM E pot =m r 1 2 E kin= mv 2 Wann sind beide gleich? m M r v G E kin=e pot 1 2 GM mv =m 2 r 2GM v= r Testmasse grav. anziehende Masse (z.b. Planet) Abstand der Massen Geschwindigkeit Gravitationskonstante Fluchtgeschwindigkeit

25 Fluchtgeschwindigkeit Für verschiedene Objekte (von Oberfläche): Erde: 11,2 km/s 2GM v= r

26 Masse: 6x1024 kg Durchmesser: km v=11,2 km/s

27 Fluchtgeschwindigkeit Für verschiedene Objekte (von Oberfläche): Erde: Mond: Jupiter: Sonne: 11,2 km/s 2,3 km/s 59,6 km/s 617 km/s 2GM v= r

28 Masse: 6x1024 kg Durchmesser: km v=11,2 km/s

29 Masse: 6x1024 kg Durchmesser: 0, km v=299792,485 km/s Schwarzes Loch!

30 Eigenschaften: Schwarze Löcher haben keine Haare

31 Schwarze Löcher No Hair-Theorem : Schwarze Löcher sind sehr einfach Masse Größe: Schwarzschild-Radius elektrische Ladung Drehimpuls

32 Schwarze Löcher Informationsverlust? Horizont: Zensur!? Stephen Hawking 1975: Hawking-Strahlung: virtuelle Teilchen durch Horizont getrennt

33 Schwarze Löcher: Hawking-Strahlung virtuelles Teilchenpaar Horizont Hawking Teilchen

34 Schwarze Löcher Informationsverlust? Horizont: Zensur!? Stephen Hawking 1975: Hawking-Strahlung: virtuelle Teilchen durch Horizont getrennt Energieverlust [ = Licht ] [ aber nur für sehr kleine Schwarze Löcher wichtig ]

35 Schwarze Löcher drei Typen Schwarzer Löcher: primordial Urknall [ ~Gramm bis kg ]

36 Schwarze Löcher: primordial M. Brice/CERN

37 Schwarze Löcher drei Typen Schwarzer Löcher: primordial Urknall [ ~Gramm bis kg ] stellar [ 2,5 40 (?) Sonnenmassen ]

38 Gravitationswellen: Schwarzloch-Verschmelzen LIGO/VIRGO Konsortium

39 Gravitationswellen: LIGO 2015

40 Gravitationswellen: LIGO 2015

41 Gravitationswellen: LIGO 2015 Verschmelzen von Schwarzen Löchern: LIGO: 14. September x ~30 Sonnemassen 1,3 Milliarden Lichtjahre Entfernung

42 Schwarze Löcher drei Typen Schwarzer Löcher: primordial Urknall [ ~Gramm bis kg ] stellar [ 2,5 40 (?) Sonnenmassen ] 5 super-massereich [ Sonnenmassen ]

43 Unsere Milchstraße

44 Schwarzes Loch im Zentrum d. Milchstraße: 6 Eingeschlossene Masse (Msonne) 3x10 Msonne Entfernung von SgrA* (parsec) Genzel, Ghez et al

45 Schwarze Löcher 2GM v= r Umwandlung potentieller (gravitations-) Energie in Bewegungsenergie, dann Wärmeenergie E=mc 2 (v=c ist Lichtgeschwindigkeit) 5 30% der Masse Energie Vergleich Kernfusion: 0,7%

46 Galaxien: Aktive Galaxienkerne kü D e h c s ri e l nst lu l e t s r a o t o F n ei k ng

47 Looking at Active Galactic Nuclei (quasars, QSOs,...) Hubble Space Telescope

48 Galaxien: Aktive Galaxienkerne Chandra Deep Field South mit HST/ACS (MPIA/Rix et al.)

49 Röntgenlicht Chandra

50 Chandra Deep Field South (NASA/JHU/AUI/Giacconi)

51 z= z=0.65 z= K. Jahnke, 2009

52 Galaxien: Aktive Galaxienkerne J. Bahcall et al. 1997

53 V. Springel et6/7. al.galaxien

54 Galaxien: Aktive Galaxienkerne J. Bahcall et al. 1997

55 AGN mit Radiojets in Perseus Galaxienhaufen (Perseus Haufen, sichtbares Licht) (Bild: David Chifiriuc)

56 Galaxien: Aktive Galaxienkerne

57 AGN mit Radiojets in Perseus Galaxienhaufen Radio- Blasen durch AGN-Jet heizen Gas wirkt Kühlen entgegen (Perseus Haufen, Röntgen)

58 Abschaltung von Sternentstehung (blau ) Farbe ( rot) Vor 8 Mrd Jahren Helligkeit [Magnituden]

59 Abschalten von Sternentstehung Bedarf für Abschaltmechanismus Gas entfernen (rausblasen) + nicht wieder zurücklassen Oder dauerhaft heizen Supernovae? Eher nicht, bestehen nur kurz Aktive Galaxienkerne? Teilweise, nur in Galaxienhaufen Alle (bekannten) Mechanismen brauchen konstruiertes Gleichgewicht ungelöst

60 Zyklus der interstellaren Materie er MJ v i at M> t i av ps: r G lla Ko Sterne Planetarische Nebel Riesen-Molekülwolken-Komplexe Zerstörung während Sternentsteh -ung Molekülwolken Su per no vae er Hüllen alt Planetariel scher Neb rund Supe ten nova-res Verschm elzen HII Koronales Gas Kühlen Kü hl en HII Region en ach n n e Kühl ession r Komp Verschmelz en + Kühlen Supernova Heizung Kaltes HI Warmes HI len Heizen oder Küh n durch Konvektio

61 Zusammenfassung Sterne entstehen in Galaxien Es gibt Galaxien mit normaler Sternentstehung und solche ohne Mechanismus notwendig, der Sternentstehung schnell abschaltet Schwarze Löcher bis hin zu Sonnenmassen Möglicherweise: Sternentstehung abgeschaltet durch Aktive Galaxienkerne = Schwarze Löcher mit Gaseinfall

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