Das Hubble-Gesetz und die Dritte Dimension des Universums

Transkript

1 Das Hubble-Gesetz und die Dritte Dimension des Universums Max Camenzind SS 2011

2 1,5 Mio Galaxien 2MASS Farbcodierung: Distanz der Galaxien

3 Unsere Themen Wie bestimmen wir die Distanzen zu Galaxien und Quasaren? Kosmische Rotverschiebung z. Hubble-Gesetz und Hubble-Konstante: Die Cepheiden-Methode. Die Supernova-Methode. Rotverschiebung wichtig für Kartierung des Universums Durchmusterungen: Großräumige Struktur des Universums Universum ist homogen für > 200 Mpc

4 Parallaxe - Galaktische Distanzen Geometrische Distanzen: Parallaxenmethode, beschränkt auf Galaxis, p = 1 1Parsek = AE/p Hipparcos, GAIA (~100 kpc)

5 The Great Debate 1920

6 Die grosse Debatte Ist Andromeda galaktisch oder extragalaktisch? Protagonisten: Harold Shapley Heber Curtis

7 Die Shapley-Curtis-Debatte, auch bekannt als Die Große Debatte (The Great Debate) bündelt die Diskussionen am Anfang des 20. Jahrhunderts, die schließlich zu einem neuen Verständnis der Natur von Galaxien und der Größe des Universums führten. Die Diskussion zwischen den Astronomen Harlow Shapley und Heber Curtis fand am 26. April 1920 im Baird-Auditorium des National Museum of Natural History in Washington statt. Sie kreiste um die Größe unserer Milchstraße und die Frage, ob die damals als Spiralnebel bekannten Galaxien kleine Objekte in unserer Milchstraße oder sehr viel weiter entfernt und von der Milchstraße getrennt sind.

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9 Die Shapley-Curtis Debatte (1920) Shapley Spiral-Nebel Curtis Galaxis Galaxis Die Debatte ergab kein brauchbares Ergebnis! Questions in science are not resolved by debates, but by observations & experiments

10 Distanzen von Galaxien Geometrische Distanzen (selten möglich, z.b. Supernova 1987A). Standard-Kerzen: d² = L / 4p f (i) RR-Lyrae Sterne (~ 0,5 Sonnenmassen), Riesensterne der Spektralklasse A, F, Pulsationsveränderliche (h Bereich) (ii) Delta Cephei Sterne ( < 20 Mpc) (iii) hellste Sterne (nicht gut definiert) (iv) Zentralsterne Planetarischer Nebel (v) Supernovae vom Typ Ia ( z < 2, ab 1998 )

11 Kosmische Distanz-Leiter Parallaxe: ~500 pc (Hipparcos), 100 kpc (GAIA) Spektroskopische Parallaxe (über Distanzmodul): 10 kpc RR Lyrae Sterne: ~100 kpc Cepheiden (10 4 L S ): ~ 30 Mpc Typ 1a Supernovae (10 9 L S ): Mpc GAIA

12 HR Diagramm Kugelsternhaufen M 55 Horizontal-Ast RR Lyr Massereiche Sterne entwickeln sich Richtung Riesenast Turn-off Punkt Massearme Sterne sind immer noch auf der Hauptreihe

13 Pulsierende / Variable Sterne Instabilitätsstreifen im HRD Cepheiden sind sehr helle Sterne

14 RR Lyrae Sterne in Messier 3

15 Cepheiden 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.

16 Der Stern d Cephei veränderlicher Stern im Sternbild Cepheus, dessen Veränderlichkeit 1784 vom englischen Astronomen John Goodricke entdeckt wurde

17 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

18 Henrietta Leavitt ( ) entdeckte die Cepheiden Periode-Leuchtkraft (PL) Relation (1912) Lichtkurve eines Cepheiden Große (LMC) & Kleine Magellansche Wolken Periode vs Magnitude Cepheiden in SMC

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20 Cepheiden: Periode-Leuchtkraft Beziehung 2 Typen! Die Periode eines Cepheiden ist mit der Leuchtkraft korreliert. Je heller, desto langsamer pulsiert der Stern. Messen der Periode bestimmt die Leuchtkraft! Relation muss geeicht werden! (LMC)

21 Cepheiden PL Moderne Version 2 Sequenzen / Magellansche Wolken

22 Die Periode (Dauer) der Pulsation korreliert mit der Leuchtkraft M V = - 2,81 log(p/d) 1,43 1. Messe Periode 2. Leuchtkraft 1. Messe scheinbare Helligkeit 2. Distanz! Die Leuchtkraft des beobachteten Sterns ~1500L

23 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

24 Hubble findet die Lösung 1923: Andromeda-Nebel nicht galaktisch 1923 untersuchte Edwin Hubble photographische Platten des Andromeda Nebels, die mit dem 100-Zoll Teleskop aufgenommen, um Novae zu finden Sterne, die plötzlich ihre Helligkeit ändern. Am 5. Oktober 1923 lokalisierte Huble 3 Novae, jede mit einem N gekennzeichnet. Eine dieser Novae erwies sich jedoch als Cepheiden Variable. Das N wurde durchgestrichen und Hubble bezeichnete den Stern als VAR! Diese Cepheide, und viele andere in der Andromeda entdeckt erlaubten es Hubble zu beweisen, dass Nebel nicht Sterne innerhalb unserer Milchstraße sind, sondern dass es sich dabei um Galaxien handelt, die mehr als eine Million Lichtjahre von uns entfernt sind. Damit war die Große Debatte beendet!

25 Das Universum Expandiert Bis 1929 wurde das Universum als statisch betrachtet (Newton, Einstein). 1929: Edwin Hubble publiziert die ersten Rotverschiebungen von Galaxien Rotverschiebungs-Korrelation, auf Basis von Cepheiden Distanzen: z = (l B l G )/l G Das Universum der Galaxien expandiert V = c z = H 0 d : [H 0 ] = km/s/mpc

26 Galaxien- Spektren haben charakteristische Absorptionslinien ~ Sterne

27 Galaxienspektrum hängt von Alter ab

28 Diese Absorptionslinien werden durch die Expansion des Kosmos nach rot verschoben. Heutige Messungen gehen bis zu z ~ 7 z ~ 10 Zukunft: z ~ 20

29 z = 4,58 Seit 1963: Quasare haben charakteristische Emissions-Spektren z = 4,96

30 Hubble fand 1929 heraus, dass entfernte Galaxien scheinbar größere Rotverschiebung aufweisen. z l l Messe die Rotverschiebung z, leite daraus die Fluchtgeschwindigkeit her v c z

31 Hubble Korrelation??

32 Humason Erweiterung

33 Das Hubble Gesetz 1929 H 0 ist die Hubble Konstante, Einheiten: km/s/mpc

34 Rotverschiebung Distanz 1. Messe Rotverschiebung z. 2. V v H 0 d Messe dies v c z 3. Hubble Gesetz Distanz d

35 morgen Interpretatio Das Universum expandiert Lemaitre heute gestern Urknall

36 Millikan, Lemaître, Einstein

37 Woody Allen Wenn das Universum expandiert, warum kann ich dann keinen Parkplatz finden? Antwort:??? Bildquelle: Web,

38 Zur Geschichte von H0

39 Die 2. große Debatte: H 0

40 1. Lösung Hubble Key- Project 2003 Alle Daten

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42 Bedeutung der Hubble-Konstanten 1. H 0 bestimmt die Skala des Universums: R H = c/h 0 = 4200 Mpc : Hubble-Radius beobachtbares Universum wird damit eingeschränkt. 2. H 0 bestimmt das Alter des Universums: t H = 1/H 0 = 14 Mrd. Jahre : Hubble- Alter, effektives Alter hängt von Dichte ab. Beachte: Das Hubble-Alter ist nur ein Maß für das Alter des heutigen Universums. Dies hängt von weiteren Parametern ab!

43 SN Ia als Standard -Kerzen SNe werden so hell wie das Zentrum der Galaxie SN 1994D CO White Dwarf at Chandrasekhar limit

44 Eigenschaften der Supernovae

45 Typische Maximale Helligkeit SN Ia Lichtkurven- Breite (Streckung)

46 Akkretion auf WZ SN Ia Weißer Zwerg akkretiert H vom Roten Riesen H fusioniert stetig zu He Bildung einer Heliumhülle Massenzunahme bis Chandrasekhargrenze Explosion

47 Fusionsreaktionen SN Ia Hohe Coulombbarrieren 4 He Startreaktionen C C Ne He C C O 2 He O C Mg He O O Si He (a,g) Ketten effektiver 4 He 4 He T 7 x 10 8 K r 2 x 10 9 g/cm³ hohe Zündtemperaturen und niedrige Reaktionsraten 4 He 4 He 4 He He He Be C O Ne Mg Si Ni Es werden kaum schwerere Elemente als 56 Ni erzeugt!

48 Simulationen SN Ia Ia t = 0s t = 0,3s Mehrfachzündungen von Flammenkugeln Hohe Temperaturen; Aschedichte niedriger als Rest Pilzform

49 Simulation SN Ia t = 0,6s t = 2s Bildung von Substrukturen; Oberflächenvergrößerung & Verbrennungsratenerhöhung Scherströme erzeugen Verwirbelungen; Brennfront erreicht Oberfläche

50 Lichtkurven SN Ia Absolute Helligkeit: bis -19,5 mag 10 Mrd. L Radioaktiver Zerfall von 56 Ni zu 56 Fe verzögert Abkühlung 56 9 Tage Ni Tage Co 56 Fe + e + Ähnlicher Verlauf Standardkerze

51 Helligkeit Helligkeit SN Ia Standardkerze M = - 19,5 Zeit Zeit Phillips Relation : Eine Korrektur der SN Ia Lichtkurve, basierend auf der Lichtkurven-Form dies verbessert drastisch die Qualität der Standardkerze. 56 Ni 56 Co 56 Fe erzeugt die SN Ia Lichtkurve Kanonische Interpretation: SNe bilden eine 1-Parameter Familie, definiert durch die Menge an 56 Ni, synthetisiert in der Explosion. Mehr 56 Ni größere Leuchtkraft höhere Temperatur höhere Opazität breiteren Lichtkurve

52 SNe Ia Eichung SN Galaxy m-m M B M V M I m C IC (12) (15) (17) 0.87 (10) 1960F NGC 4496A (10) (18) (22) 1.06 (12) 1972E NGC (07) (16) (17) (20) 0.87 (10) 1974G NGC (17) (34) (27) 1.11 (06) 1981B NGC (12) (18) (16) 1.10 (07) 1989B NGC (12) (18) (16) (14) 1.31 (07) 1990N NGC (22) (26) (24) (23) 1.05 (05) 1998bu NGC (16) (31) (26) (21) 1.08 (05) 1998aq NGC (14) (21) (20) 1.12 (03) Straight mean (04) (04) (06) Weighted mean (07) (06) (09) Saha et al. 1999

53 Distanzen im lokalen Universum Expansion ist linear, d.h. es gilt das Hubble Gesetz v = cz = H 0 D Verwende Distanz-Modulus µ = m - M = 5 log(d/10 pc) Distanzen für Standard Kerzen (M=const.) m = 5 log(z) + b b = M log([c/h 0 ] / Mpc)

54 Hubble-Diagramm der SN Ia m = 5 log 10 (cz) + b H km s Mpc

55 Cepheids in NGC 5584 d = 23 Mpc in Virgo/HST Hubble Key Project2: SN Ia Host

56 NGC 5584 / HST

57 NGC 5584 / VLT SN 2007af

58 HKP2: Modern PL Relation for Cepheids: Riess et al. 2011/HST H 0 = (73,8 +- 2,4) km/s/mpc

59 Supernova Projekte SN Factory Carnegie SN Project SDSSII ESSENCE CFHT Legacy Survey Higher-z SN Search (GOODS) Euclid/LSST / Satellit Plus lokale Projekte: LOTOSS, CfA, ESC

60 Distanzmodul Kosmische Supernovae z < 2 Verhalten hängt von Expansion des Universums ab. Riess et al. 2007

61 Hubble-Diagramm mit SDSSII SNe arxiv:

62 Abweichungen vom Hubble-Gesetz kosm. Expansion z = 3 z = 2 z = 1 Distanz in 1000 Mpc

63 Galaxienverteilung im Universum Galaxien sind die sichtbaren Bausteine des Universums. Galaxien sind Tracer der Materieverteilung (Dunkle Materie). Durch Vermessen der Rotverschiebung von Galaxien Massenverteilung im Universum. 3D Verteilung der Galaxien großräumige Struktur des Universums

64 2MASS Galaxienverteilung 2004 Blue are the nearest sources (z < 0.01; d < 42 Mpc); green are at moderate distances (0.01 < z < 0.04; 42 < d < 168 Mpc); red are the most distant sources that 2MASS resolves (0.04 < z < 0.1).

65 Wichtige Galaxienhaufen

66 Durch Vermessen der Rotverschiebung können wir das lokale Universum abbilden Winkelverteilung der hellen Galaxien am Himmel

67 Bestimme die Spektren aller hellen Galaxien längs eines Schnittes Winkelverteilung der hellen Galaxien am Himmel

68 Messe Rotverschiebung für alle diese Galaxien und erstelle damit eine 3-D Karte des Universums!

69 No of objects Area & Size of Redshift Surveys 1.00E E+08 SDSS photo-z 1.00E+07 SDSS main 1.00E+06 SDSS red SDSS abs line 1.00E+05 CfA+ SSRS 2dF 2dFR 1.00E+04 LCRS SAPM QDOT 1.00E E E E E E E E E+11 Volume in Mpc 3

70 Galaxien sind nicht gleich verteilt! Struktur besteht aus Walls und Voids

71 Ähnliche Karte mit mehr Galaxien. Es gibt Extra- Strukturen, die wie radiale Linien aussehen und von der Erde wegzeigen! Finger Gottes Wir sind hier

72 Diese Strukturen werden von Galaxienhaufen gebildet. Galaxien haben jedoch zusätzliche stochastische Geschw. Cluster Geschw. betragen bis zu 2000 km/s Diese Bewegung: Pekuliar- Geschwindigk

73 All diese Galaxien haben dieselbe Distanz! Finger Gottes Pekuliar-Geschwindigkeit eine zusätzliche Komponente, die sich der Expansionsgeschwindigkeit überlagert V = V cluster + V Hubble H 0 d

74 Galaxienkataloge Himmelsdurchmusterungen (Surveys) Homogenität wichtig daraus Kataloge: Helligkeit, Durchmesser, Farbe, Morphologie sekundär: Entfernungen (z), daraus Leuchtkräfte L, Moderne Kataloge: CfA, LCRS, 2dF, SDSS (Sloan Digital Sky Survey) historisch: keine Differenzierung bei 'Nebeln' Galaxien, Sternhaufen, planetarische Nebel, HII- Regionen (Messier, NGC, ) generell alle ausgedehnten Objekte

75 Der 2dFGRS Survey

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78 Hier kann man Strukturen selbst auf großen Skalen sehen! 2dF ~ Galaxien!

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80 2dF Galaxy Redshift Survey final release galaxies (from Colless et al. 2003)

81 2dF Rotverschiebungs- Verteilung

82 Sloan Digital Sky Survey SDSS Apache Observatory York et al 2001; Fan et al

83 Sloan Digital Sky Survey Collaboration: ~150 Wissenschaftler Am. Museum Nat. History Astrophysical Inst. Potsdam U. Basel Cambridge U. Case Western Reserve U. Chicago Drexel U. Fermilab Institute for Adv. Studies Japanese Participation Grp Johns Hopkins U. JINA Kavli Institute for Part. Astro. Korean Scientist Group LAMOST (China) Los Alamos Nat. Lab Max Planck Inst. Astronomie Max Planck Inst. Astrophysik New Mexico State U. Ohio State U. U. Pittsburgh U. Portsmouth Princeton U. US Naval Obs. U. Washington 5 filters 2.5m telescope Spectroscopy

84 Die SDSS Kollaboration MPA, MPIA & ZAH vertreten

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86 SLOAN - Messier 3

87 SLOAN - Messier 88

88 SLOAN Redshift 6,4 Quasar

89 Final DR7 Sky Coverage

90 Schaumartige Struktur SDSS

91 SLOAN 2,5 deg Slice Color: Luminosity

92 This "pie diagram" shows the distribution of galaxies found by the SDSS redshift survey out to redshift 0,25, corresponding to a comoving distance of 1,2 Gpc. The SDSS is the largest redshift survey of galaxies ever. 210 Mpc

93 Sloan Great Wall ~200 Mpc

94 SDSS Quasare Quasare sind aktive Zentren von Galaxien Größte Aktivität 1 < z < 2

95 Quasar-Dichte z = 6: 1 Quasar pro Gpc³

96 z > 6 z > 5,5 z > 5

97 Zusammenfassung Die meisten Galaxien und alle Quasare haben rotverschobene Spektren. Hubble fand heraus: cz = H 0 d, z < 0,1. Die Hubble-Konstante muß geeicht werden: Cepheiden- und SN-Methode heute die wichtigsten Distanzindikatoren: H 0 = 72+/-5 km/s/mpc. Hubble-Gesetz kann zur Vermessung des Universums bis zu z < 0,2 herangezogen werden. Für z > 0,2 quadrat. Abweichungen Damit konnte Homogenität und Isotropie der Galaxienverteilung für Skalen s > 200 Mpc bewiesen werden.