Der Andromeda-Nebel, eine ganz normale Spiralgalaxie? Astronomievereinigung Rottweil

Transkript

1 Der Andromeda-Nebel, eine ganz normale Spiralgalaxie? Astronomievereinigung Rottweil August 2012 Herbert Haupt AVR / IAS

2 Andromeda-Galaxie M31 mit M32 und M110 Peter Knappert AVR Sie sieht doch eigentlich ganz friedlich aus!

3 Der Anlass für die Recherche von HG Diederich: das Foto von Gerhard Neininger AVR HGD: Der Bulge ist etwas kastenförmig!

4 1. Einführung: die Andromeda-Galaxie 2. Der Lindblad-Twist 3. Der Kernbereich 4. Die bewegte Scheibe/Spirale 5. Die seltsamen Sternhaufen 6. Die Begleiter, oder was davon blieb 7. Zusammenfassung und Vergleich mit der Milchstraße 8. Literatur und Links Inhalt

5 1. Einführung: Die Andromeda-Galaxie

6 Die Andromeda-Galaxie das fernste, mit freiem Auge sichtbare Objekt (3.5mag)

7 Die Lokale Gruppe Die großen Galaxien: - Milchstrasse - Andromeda-Galaxie - Dreiecks-Galaxie

8 Die Andromeda-Galaxie: Historie 964: Al-Sufi erste Beobachtung des Nebelfleckchens 1612: Simon Marius Wiederentdeckung (mit Teleskop) 1864: William Huggins Spektrallinien sind verwischt, M31 ist also andere Art als Gasnebel stellare Natur 1885: Ernst Hartwig beobachtet bisher einzige (Super)nova; nicht ernst genommen, da Distanz zu M31 unterschätzt 1887: Isaac Roberts erstes Foto: Spiralstruktur (aber noch als Teil unserer Milchstraße angesehen) 1912: Vesto Slipher (mit Spektroskopie) M31 kommt mit 300 km/s auf uns zu 1917: Heber Curtis Novae in M31 um 10 mag schwächer, M31 ist unabhängige Welteninsel außerhalb der Milchstraße

9 1887: Erstes Foto der Andromeda-Galaxie I. Roberts

10 Der Andromeda-Nebel rückt immer weiter weg Vor 1785: kleiner Nebel, nicht allzu weit entfernt 1785: William Herschel: Entfernung < 2000x die zum Sirius 1917: Heber Curtis: LJ, da Novae 10mag schwächer M31 außerhalb der Milchstraße! 1922: Ernst Öpik: 450 kpc 1,5 Mio LJ 1925: Edwin Hubble: Einzelsterne im Außenbereich aufgelöst, Cepheiden ( falsche Art ) 0,8 Mio LJ 1943; Walter Baade: rötliche Sterne im Zentrum aufgelöst Sternpopulationen I und II zwei Arten von Cepheiden Distanz (zu Hubble) verdoppelt auch Weltall größer heute: 2,54 Mio LJ (nach vier Methoden bestimmt)

11 2. Der Lindblad-Twist und andere Verdrehungen

12 Hans-Günter Diederich: Die 3 Geheimnisse der Andromeda-Galaxie Neigung der Galaxien-Scheibe gegen die Sichtlinie: 12,5

13 M31 Innenbereich 2MASS = Two Micron All Sky Survey

14 HG Diederich: Analyse der Verdrehung zwischen innerer und äußerer Scheibe

15 Kastenartige (boxy) Struktur des zentralen Bauches (bulge) der Andromeda-Galaxie HGD Unterschiedlich gestreckte Aufnahme von Nukleus und Bulge Isophoten-Darstellung zu oben: kreisförmiger Nukleus nach außen zunehmend kastenförmig mit Änderung des Positionswinkels Balken-Galaxie

16 Formen von Elliptischen Galaxien(-Bulges) JV. Feitzinger E-Systeme mit Absoluthelligkeit > -21 Größenklassen zeigen eine kastenartige Helligkeitsverteilung, weniger helle eine scheibenartige. Scheibe: Kasten = dreiachsiges Rotationsellipsoid: ngc4660 ngc4365

17 Der Warp von Andromeda Ph. Choi, P. Guhathakurta, UCSC 2001 Extremer Warp in der äußeren Spiralenscheibe: vermutlich infolge von Wechselwirkungen mit Begleitgalaxien oder Trümmern von früheren Verschmelzungen mit anderen Galaxien

18 ngc7331 Mischa Schirmer IAS Die innere Scheibe ist gegenüber der äußeren gekippt

19 (Bertil) Lindblad Resonance: A gravitational resonance (hypothesized to explain the existance of galactic spiral arms) which occurs when the frequency at which the star encounters the galactic spiral wave is a multiple of its ecliptic frequency Per Olof Lindblad: The simulations demonstrate the role of the bar and the importance of resonances between the bar rotation and the rotation of the galaxy for the formation of the spiral structure

20 I. I. Pasha: Lindblad s bar-spiral density theory Dichte-Variationen und absolute Dichtewerte in der Scheibe führen zur Entstehung eines Balkens, sowie zu dessen starrer Rotation bei bestimmten Resonanzbedingungen zwischen den Sternbewegungen im Balken und der Scheibenspirale. Die Sternbahnen im Balken sind sehr kompliziert und speziell keine geschlossenen Ellipsen.

21 Lindblad-Verdrehung Innerer Scheibenbereich ist gegenüber äußerem gekippt Mögliche Ursachen: Folge der Kinematik in der Scheibe (Balken und Spirale) Wechselwirkung mit nahegelegenen Galaxien (M32, M33, Milchstraße,... ) M33 responsible for some warp in M31 s arms? Hochgeschwindigkeitswolken, die von außen in die Galaxie mit hohem Drehmoment einfallen kannibalisierte Begleitgalaxien gegeneinander verdrehte Achsen der Rotationsellipsoide von sichtbarer und dunkler Materie

22 3. Der Kernbereich

23 Staub in Andromeda B. Groves et al Emissionswellenlängen des Staubes: - blau: PACS 70 μm, - grün: PACS 100 μm, - rot: SPIRE 250 μm Anstieg der Staub-Temperatur zum Zentrum hin!

24 Staubtemperaturen im Zentrum von M31 Brent Groves et al

25 Innerer Balken und Dunkelwolken im Zentrum der Andromeda-Galaxie HG Diederich Sofue et al. 1993: Face-on Minibalken im R-Band, zentrale Region (Seite = 900 LJ) Linienabstand ist 0,021 mag Minispirale stark aus Galaxien-Ebene herausgedreht, daher beinahe in Aufsicht Gas (HI/H 2 ) abgezogen aus M32 und M110?

26 Ngc1097 in FOR ESO Schwarzes Loch im Kern ~ 100 Mio Sonnenmassen auf Diät Zentralbereich Ø ~5000 LJ

27 Viele Balkenspiralen sind aktiv, vermutlich wegen Gas, das entlang der Arme in den Kern spiralt Innenbereich der Galaxie ngc1097 im nahen Infrarot Zentrale Spiralarme und Sternentstehungs-Ring ESO The dusty path to doom In Ellipse: Sternlicht unterdrückt zentrale Spiralarme als dunkle Kanäle

28 M 31 Hubble-Blick ins Zentrum, im Optischen Lichtjahre alte rötliche und junge blaue (< 200 Mio J) Sterne ums Schwarze Loch

29 Zentrum der Andromeda- Galaxie (1) Doppel -Kern mit 5 LJ Distanz: nur ein Schwarzes Loch mit >2 10 7! Sonnenmassen im lichtschwächeren Teil = galaktisches Zentrum Hellerer Teil: - wegen geringerer Abschattung? - wegen längerer Verweildauer der Sterne bei exzentrischem Lauf ums Schwarze Loch?

30 Zentrum der Andromeda-Galaxie (2) Über 400 junge, blaue Sterne umkreisen das Schwarze Loch in einer Scheibe mit nur 1 LJ Durchmesser, mit 1000 km/s, Umlaufdauer ~100 J Außen herum: Ring aus alten, rötlichen Sternen

31 Andromeda-Galaxie: Zoom-in

32 Milchstraße: Bewegung massereicher Sterne um das Schwarze Loch MPIA : Aufnahmen im Infraroten Kreuz = schwarzes Loch im Zentrum Stern S2 (am nächsten zum Schwarzen Loch): - große Halbachse ~9 LT - Umlaufdauer ~15 Jahre - max. Geschw. ~4000 km/s

33 Andromedas Sternwind MPIA ionisiertes Gas (~ 4Mio K) im Röntgenlicht: wenige Mio M s, davon strömen pro Jahr 0,1 M s ab, parallel kleiner Halbachse! Quelle von Masse und Energie: Supernovae 1A und entwickelte Sterne (links unten, ~2kLJ)

34 4. Die bewegte Scheibe bei verschiedenen Wellenlängen

35 M31, M32 und M110 im Sichtbaren Tony Hallas Staubbänder verdeutlicht; Sternströme von M32 und M110 sichtbar

36 Die Andromeda-Galaxie im UV-Licht (Galex) Das UV-Bild zeigt einen 150 klj weiten Ring von jungen, heißen, blauen Sternen, der Andromedas zentralen Bauch umgibt

37 Die Andromeda-Galaxie im Infraroten (WISE-Teleskop) blau: 3,4/4,6 μm eher alte Sterne grün: 12 μm rötlich: 22 μm durch neue/massereiche Sterne aufgeheizter Staub

38 Andromeda-Galaxie: Zusammenfassung in Falschfarben blau: junge, heiße Sterne großer Masse grün: ältere Sterne gelbes Zentrum: dichte Population alter Sterne rot: kalte Staub-Regionen mit entstehenden Sternen, die noch in ihrer Gas-/Staubwolke vergraben sind lila: junge und alte Sterne in Koexistenz Pauline Barmby /David Block: 2. Ring (innen): eine Gas-/Staubwolke, die nach Aufprall von M32 vor 210 Mio Jahren entstand

39 Struktur der Andromeda-Galaxie im Infraroten Spitzer-Teleskop Pauline Barmby Helle Bereiche: Staubfilamente mit Sternbildung im Innern, erscheinen im Sichtbaren als dunkle Bänder Abstand der Zentren von Galaxie und äußerem Ring: ~ 5 klj! Innen- und Außenring: Wasserwellen nach zentralem Durchstoß von M32 vor ca. 210 Mio Jahren? Loch im Außenring: nach Durchstoß von M 32 durch Andromeda?

40 Simulation des Durchstoßes von M32 David Block, RSA Ring aus jungen Sternen (30 klj Ø, Zentrum versetzt um 4 klj gegen Gx) und 4,5 klj großer elliptischer Staubring, um 1,5 klj versetzt: werden für nahezu frontale Kollision durch Simulation bestätigt!! Interpretation der Ringe: Dichtewellen, die langsam nach außen wandern heute Auch das Loch im äußeren Ring taucht als Überlagerung der Spiralarme mit der Dichtewelle auf! M32 schrumpfte beim Durchstoß von 1/10 auf 1/23 der Masse von M31!!

41 Andromeda-Galaxie im Licht der 21 cm-linie des neutralen Wasserstoffs Maßstab gegenüber Vorbildern im Verhältnis 2:3 verkleinert Durchmesser 5, entsprechend LJ H-Wolke gering im Vergleich zur Milchstraße und ähnlichen Spiralen L. Chemin et al.

42 Rotationsgeschwindigkeit über dem Radius v(r) = (G M(r)/r) 1/2 1: Schwarzes Loch (~100 Mio M s ) und hohe Sterndichte in Kern 2: Kepler-Abfall zu 1. 3: Hohe Sterndichte in Spiralarmen / Ringen und Dunkle Materie 4: Plateau durch Dunkle Materie: M(r) ~ r = 82 klj

43 Die Andromeda-Galaxie bei der 21 cm-linie Die rotierenden Wolken des neutralen Wasserstoffs kommen rechts auf uns zu, links gehen sie von uns weg. 220 klj Der Dopplerverschiebung ist die Relativbewegung von ~ 300km/s auf uns (Sonne) zu überlagert. L. Chemin et al.

44 Molekulares Gas (CO): Geschwindigsverteilung Ch. Nieten et al. CO als Begleitgas von molekularem H 2 ist nur noch auf die ringförmigen Strukturen begrenzt, wo heute im Wesentlichen Sterne entstehen. Atomares H ist gleichmäßiger verteilt.

45 Ultrahelle Röntenquellen in M 31 Chandra 2012 Die ULXs sind wohl stellare Schwarze Löcher; ULX-1 mit 13 M s Das Spektrum und das Helligkeitsabklingen sprechen für Röntgen- Doppelsterne ULX-2 ULX-2 ULX-1 Kernregion ULX-1

46 ULX-1 Stellares Schwarzes Loch mit > 13 M s, das gerade viel Materie schluckt, wenige LJ vom Zentrum

47 5. Andromedas (seltsame) Sternhaufen

48 Sternentstehungsgebiet NGC 206 in M 31 Sehr massereicher offener Sternhaufen: Eines der größten Sternentstehungsgebiete in der lokalen Gruppe: Untersuchungs-Labor für Sternentwicklung und Entfernungsbestimmung

49 Andromedas seltsame Sternhaufen M 31 hat ~ 3x so viele Kugelsternhaufen (4-500) wie die Milchstraße, davon fallen einige aus der Reihe. Sie sind: weit weg von M31, bis zu 500 klj ähnlich Kugelsternhaufen, aber viel ausgedehnter, nur 1/1000 Dichte kein Analogon sonst bekannt

50 Riesenkugelhaufen G1 = Mayall II

51 Mayall II = G1 (Globular 1) größter? Kugelhaufen in der Lokalen Gruppe kompakter Satellit von Andromeda, umkreist M31 in 130 klj Abstand ~ Sterne (doppelte Masse von Omega Centauri) in ~ 43 LJ Ø Schwarzes Loch mit M s im Kern Kugelhaufen oder Rest eines Begleiters?

52 6. Die Begleiter, oder was davon blieb

53

54 Andromedas Satelliten-Galaxien: Ungewöhnliche Anordnung 9 der 14 Zwerggalaxie-Satelliten liegen in einer Ebene senkrecht zu der von Andromeda und durch deren Zentrum Sie enthalten etwa 80% der Masse der Satelliten-Galaxien Die Ebene ist etwa 50 klj weit Bisher keine schlüssige Erklärung. Denkbar: - Kannibalismus einer großen Begleitgalaxie vor langer Zeit? Deren Reste kreisen noch um Andromeda - Einbettung in Dunkle-Materie-Strom zwischen M33 (0,7 Mio LJ) und M81 (11 Mio LJ)? Allgemein üblich? Auch die Milchstraßen-Satelliten liegen meist in zwei Ebenen, aber weniger ausgeprägt

55 PAndAS-Durchmusterung von M31 und M33 Alan McConnachie Schwache Sternhalos dehnen sich bis zu 500 klj um M31 und 150 klj um M33 aus > Sterne, Mrd Jahre alt Dazu mehrere stärkere Sternströme im Umfeld der Galaxien Die Sternhalos stammen überwiegend von M33

56 Bahn von M33 um die Andromeda-Galaxie Simulation von A. McConnachie größte Annäherung vor 2,6 Mrd. Jahren mit 130 klj größte Entfernung vor 0,9 Mrd. Jahren mit 860 klj Blickrichtung heute: 700 klj von der Erde Blick auf die Bahnebene

57 Dreiecks-Galaxie M33 vor (oben) und nach (darunter) dem Vorbeiflug an Andromeda rechts: Daten aus PAndAS-Projekt links: Simulation vor/nach Vorbeiflug unten: Seitenansicht (heute) Es wurden sowohl die Außenbereiche in der Scheibe gegen den inneren Teil verdreht, und die äußeren Teile von der Scheibe weggebogen (Warp; infolge Verkippung der Achsen der Rotationsellipsen von baryonischer und dunkler Materie gegeneinander?)

58 7. Zusammenfassung und Vergleich mit der Milchstraße

59 Zusammenfassung und Vergleich mit der Milchstraße Andromeda Milchstraße Durchmesser (optisch) klj Durchmesser des Sternhalos klj 1000 < 200 Sternzahl Masse in M s 1-1, , (Die Milchstraße hat einen viel größeren und massereicheren Halo aus Dunkler Materie) Masse des Schwarzen Lochs Leuchtkraft in L s Zentraler Bauch triaxial kugelförmig 16kLJ Achtung: Die Daten unterliegen häufigen Revisionen!

60 Zusammenfassung und Vergleich mit der Milchstraße Struktur der Andromeda-Galaxie: stark gestörte Balken-Spirale TypSA(s)b LINER (oder Typ SB..?) Bei der Andromeda-Galaxie lassen sich mindestens vier gegeneinander verdrehte Bereiche unterscheiden: - der Kernbereich bis ~ 500 LJ in nahezu Aufsicht-Lage mit massivem Schwarzem Loch, umgebenden Sternhaufen und Mini- Spirale - der triaxiale Bulge (~12x8x4 klj) mit Verlängerung als dünnem Balken (~ 1,4x Bulgelänge) - die innere Scheibe bis zum Ring mit Spiralenansatz - die äußere Scheibe mit der eher schwach ausgebildeten Spiralen bis zum äußeren Ring Außerhalb weitere schwache Spiral/Ringstrukturen und der extrem ausgedehnte Halo bis 500 klj

61 Zusammenfassung und Vergleich mit der Milchstraße Alle diese verdrehten, verbogenen, ringförmigen Strukturen sind die Folge heftiger gravitativer Wechselwirkungen mit den größeren Begleitgalaxien und mit Zwerggalaxien, die dabei stark zerrupft und in Teilen von Andromeda einverleibt wurden. Derartige Wechselwirkungen waren und sind auch bei der Milchstraße vorhanden, aber in viel geringerem Ausmaß. Daher ist deren Spiralstruktur noch weitgehend intakt.

62 Die Milchstraße Wenig gestörte Balken-Spirale, Typ SBc: im Wesentlichen zweiarmig mit Nebenarmen Balkenlänge ~27 klj

63 Zusammenfassung und Vergleich mit der Milchstraße Die Andromeda-Galaxie kannibalisiert alles um sich herum und wird dabei selber kräftig durchgeschüttelt. Jetzt kommt sie mit 114 km/s auf die Milchstraße zu und wird mit ihr verschmelzen oder bei nahem Vorbeiflug mit ihr zumindest heftig wechselwirken. Aber: bis dahin haben wir ja noch etwas Zeit!!

64 Kollision mit Andromeda jetzt gewiss!! Seitliche Orbital- Bewegung um 17 km/s! links: heute rechts: in 2 Mrd. J darunter: in 3,8-4 Mrd. Jahren Die beiden Galaxien werden verformt, zerrissen und zur elliptischen Gx umgebildet!!

65 Literatur (1) HG Diederich: Die drei Geheimnisse der Andromeda-Galaxie J. für Astronomie IV/2009, S B. Lindblad: On a barred spiral structure in the Andromeda Nebula, Stockholm Obs. Ann. 19,2 (1956) S. Berman: Hydrodynamic simulations of the triaxial bulge of M31, arxiv:astro-ph/ v1 14 Mar 2001 Y. Sofue et al.: Face-on barred spiral structure of molecular clouds in M31 s bulge, arxiv:astro-ph/ v1 29 Sep 1993 L. Chemin et al.: HI kinematics and dynamics of Messier 31 arxiv: v1 [astro-ph.co] 21 Sep 2009 R. L. Beaton et al.: Unveiling the boxy bulge and bar of the Andromeda spiral galaxy, ApJ 658, L91-94 (1. April 2007)

66 Literatur (2) Guido Thimm: Andromeda ist schuld, SuW Jan. 2010, S St. Deiters: astronews.com, 2006 Frontalzusammenstoß mit M32 J. V. Feitzinger: Galaxien und Kosmologie, Kosmos-Verlag 2007 F. Hammer: Observatoire de Paris, Communique D.L. Block et al: An almoust head-on collision as the origin of two off-center rings in the Andromeda galaxy, Nature 443, 832(2006) B. Groves et al: The heating of dust by old stellar populations in the bulge of M 31: arxiv: v1 [astro-ph.co] 13. Juni 2012

67 Literatur (3, Links) (Peter Knappert) NASA/JPL release (Spitzer)