Galaxien (2) - Scheibengalaxien

Transkript

1 Galaxien (2) - Scheibengalaxien

2 Galaxien, die aus einem Bulge und einer flachen Scheibe bestehen, auf denen ein spiralförmiges Muster aufgeprägt ist, werden heute gewöhnlich als Scheibengalaxien bezeichnet.

3 IR-Aufnahme von M81 (Spitzer-Teleskop): Auch warmer Staub zeichnet die Spiralstruktur nach

4 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 ( Lichtjahre) Es besteht eine Korrelation zwischen Gasgehalt und Ausprägung der Spiralstruktur

5 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 v r ~ 1 r Gefunden wurde aber v r ~ const.

6 Theoretische und beobachtete Rotationskurve einer typischen Scheibengalaxie

7 Rotationskurve von NGC 6503 Ohne die Präsenz eines überaus massereichen Halos ist die beobachtete Rotationskurve dieser Galaxie nicht zu erklären.

8 Ausnahmslos alle Scheibengalaxien zeigen in ihren äußeren Bereichen eine mehr oder weniger ausgeprägtes konstantes Rotationsverhalten, welches im Widerspruch zur Kepler- Bewegung steht

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10 Wie läßt sich das Rätsel der flachen Rotationskurven lösen? Galaxien müssen ein Halo nichtsichtbarer, aber gravitativ wirksamer Materie besitzen

11 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!

12 Gibt es außer der Rotationsanomalie von Galaxien weitere Hinweise auf die Existenz von Dunkler Materie?

13 Evidenzen für die Existenz Dunkler Materie 0,3 pc: Raumsonden und Planetenbahnen in unserem Sonnensystem pc: Geschwindigkeitsdispersion in Kugelsternhaufen und planetarischen Nebeln kpc: Rotationskurven von Zwerggalaxien, elliptischen Galaxien und Spiralgalaxien Mpc: Massenbestimmung von Galaxienhaufen Mpc: Großräumige Strukturen (Superhaufen, Voids, Zelluläre Strukturen): Analyse von Geschwindigkeits- und Massenverteilungen. 1Gpc: Kosmologische Modelle und die kosmische Hintergrundstrahlung (CMB)

14 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)

15 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

16 Berechnung der Struktur der Galaxienverteilung im Kosmos mit unterschiedlichen Anteil an gravitativ wirksamer Dunkler Materie

17 Reale Galaxienverteilung im Kosmos

18 Galaxienhaufen Abell 1689 Aus Gravitationslinsenabbildungen abgeleitete Verteilung der Dunklen Materie

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