Vermessung des Universums Rotverschiebung und Distanzen von Galaxien. Max Camenzind Senioren Uni WS2012

Transkript

1 Vermessung des Universums Rotverschiebung und Distanzen von Galaxien Max Camenzind Senioren Uni WS2012

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3 ESO Hauptquartier

4 ESO La Silla seit Okt Europäische Südsternwarte

5 Meilensteine der Kosmologie Aristoteles trennt Physik in Himmel und Erde. 1543: Heliozentrisch Erde rotiert, nicht die Fixsternsphäre, aber immer noch Kreisbahnen. 1687: Newton führt Gravitationskraft ein gültig im ganzen Universum, noch statisch. Seit 1920: Teleskope erweitern den Horizont. 1924: Hubble bestimmt Distanz zu Andromeda. 1922/1927: Geburt expandierendes Universum 2004: Hubble Ultra-deep Field Blick ins Universum bis 13 Mrd. Jahre zurück.

6 Distanzen und Rotverschiebung Wie messe ich die Distanzen zu Andromeda/LMC? 1924 von Edwin Hubble entschieden / 2011 nachgemessen. Wie messe ich Distanzen zu Galaxien? kosmische Eichkerzen m M = 5log(d/10 pc) RR Lyrae, Cepheiden und Supernovae Ia. Was ist kosmische Rotverschiebung? Hubble-Gesetz der Raum expandiert. Wie bestimme ich die Hubble-Konstante? Welche Bedeutung hat die Hubble-Konstante? Kosmische Distanzen Supernovae Ia Der Cosmic Web Filamente, Haufen, Voids.

7 Entfernung Andromeda Nebel?

8 Die Shapley-Curtis Debatte von 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

9 Hubble findet 1924 erste Cepheide V1 Andromeda ist 1 Mio. Lichtjahre entfernt! Cepheide V1

10 Hubble hat 1924 die Debatte entschieden mittels Cepheide V1 in M31 Hubble s V1 is the most important star in the history of cosmology

11 Lichtkurve Hubble-Cepheide V1 Shapley: Here is the letter that destroyed my universe.

12 68 Cepheiden in Andromeda Adam G. Riess et al arxiv: / HST

13 Moderne Distanz Andromeda Adam G. Riess et al arxiv: / HST F160W µ 0 = 24,42(0,05) mag D = 765 +/- 28 kpc = 2,5 Mio. Lichtjahre F110W µ = m - M = 5 log(d/10 pc)

14 Unsere Kosmischen Nachbarn 1925 Hubble: Andromeda extragalaktisch

15 Coma-Haufen 100 Mpc

16 Distanzen von Galaxien Geometrische Distanzen (selten möglich, z.b. Supernova 1987A). Standard-Kerzen: d² = L / 4p f Distanzmodul: µ = m M = 5 log(d/10 pc) (i) RR-Lyrae Sterne (~ 0,5 Sonnenmassen), Riesensterne der Spektralklasse A, F, Pulsationsveränderliche (h Bereich) (ii) Delta Cephei Sterne ( < 20 Mpc, seit 1912) (iii) hellste Sterne (nicht gut definiert) (iv) Tully-Fisher Relation für Scheibengalaxien (v) Supernovae vom Typ Ia ( z < 2, seit 1990 )

17 Die Leuchtkraft-Distanz Strahlung durch Fläche bleibt konstant f = L / 4p r²

18 Kosmische Distanz-Leiter Typischer Abstand Galaxien: ~ Mpc

19 Kosmische Distanz-Leiter Parallaxe: < 500 pc (Hipparcos), < 100 kpc (GAIA) Spektroskopische Parallaxe (über Distanzmodul): 10 kpc RR Lyrae Sterne (70 L S ): < 100 kpc, Kugelsternhaufen Cepheiden ( L S ): < 30 Mpc, Virgohaufen Typ Ia Supernovae (1 Mrd. L S ): < Mpc, z < 2 GAIA

20 Der Kugelsternhaufen Messier 55

21 FH Diagramm Kugelsternhaufen M 55 Horizontal-Ast RR Lyrae Sterne <M V > = 0,65 mag RR Lyr Massereiche Sterne entwickeln sich Richtung Riesenast Turn-off Punkt Massearme Sterne sind immer noch auf der Hauptreihe

22 RR Lyrae Sterne in Messier 3

23 Der Stern d Cephei veränderlicher Stern im Sternbild Cepheus, dessen Veränderlichkeit 1784 vom englischen Astronomen John Goodricke entdeckt wurde; p = 3,77 mas d = 272 pc

24 Variable Sterne - Cepheiden Einige Sterne zeigen intrinsische Helligkeitsvariationen, die nicht auf Verdunklung im Doppelsternsystem zurückgehen Sägezahn-artig Wichtigstes Beispiel: d Cephei 3,5 4,5 mag Lichtkurve von d Cephei

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

26 Leuchtkraft Stellare Pulsation Zeit

27 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

28 Distanz zu LMC? m o = 18,5 +/- 0,1 (d = 50 kpc, +- 10%) Cepheiden-Eichung Fundamentale Limitierung der lokalen Werte von H o Frage wird mit GAIA gelöst werden!

29 Leavitt-Law Cepheiden 2012 d = 49,6 kpc µ SN87A = 18,55 +/- 0,05 mag Freedman et al. 2012

30 Das Universum Expandiert Bis 1929 wurde das Universum als statisch betrachtet (Newton, auch von Einstein) G. Lemaître: Raum expandiert, leitet theoretisch die Hubble-Beziehung her! 1929: Edwin Hubble publiziert die ersten Distanzen 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

31 Einstein & Lemaître 1933

32 Vesto Slipher, Wirtz, Hubble 1920er je weiter entfernt um so stärker rotverschoben - Weit entfernte Galaxie - Entfernte Galaxie - Nachbar- Galaxie - Stern - Labor z = (l l 0 )/l 0 Astronom: V = c z

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34 Spektrograf im Eigenbau

35 Digitales Spektrum E Galaxie dominiert durch massearme Sterne kein UV keine A, B, O Sterne TiO Banden M Zwerge Nicht viel Emission im Blauen!

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

37 Vesto Slipher Lowell Observatory Flagstaff Als Erstem gelang ihm die schwierige Messung der Radialgeschwindigkeit des Andromeda Nebels und bis 1915 von 14 weiteren Galaxien Rotverschiebung der Galaxien.

38 Vesto Slipher und sein Spektrograf

39 Carl Wilhelm Wirtz Straßbourg - Kiel 2 Beziehungen, zuerst die zwischen Helligkeit und Radialgeschwindigkeit, dann die zwischen Winkeldurchmesser und Radialgeschwindigkeit von Nebeln.

40 Edwin Hubble Mount Wilson - Palomar Kannte Lemaître nicht? Durchbruch 1929: cz = H 0 d

41 Humason Hubble Michelson Einstein 1931 auf Mount Wilson

42 Milton Humason erinnert sich: The velocity-distance relationship started after one of the IAU meetings, I think it was held in Holland. 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 nebulae that he d gotten in Flagstaff or red-shifts. Some of them were negative, some of them positive, and the largest one was about 1800 kilometers per second.

43 Humason s Spektren 1936 / Mount Wilson M 32 Virgo S0 78 Mpc

44 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 c z

45 morgen Interpretatio Das Universum expandiert Lemaître heute gestern Urknall

46 Nur ein relativistisches Universum Travel to the Stars? kann diese Expansion erklären Kinetic Energy = 1/2 Mv 2 What does it take to get a 1000-ton spaceship to 10% of the speed of light? (43 years to Alpha Centauri) M=10 6 kg, v = 3 x 10 7 m/sec KE = 1/2 x 10 6 x 9 x = 4.5 x joules Equals U.S. Energy Production for 4.5 years Once you get there, you have to stop.

47 Kosmische Rotverschiebung = Expansion des Raumes Universum war früher kleiner / Lemaître 1927 Zeit Zei t e Zeit t 0

48 Hubble 1929 cz = H 0 D Eigenbewegung der Galaxien im Virgo-Haufen Hubble 1929

49 Erste Messung der Hubble-Konstanten Warum also Hubble-Gesetz?

50 1936 Humason Erweiterung bis z = 0,2

51 Allan Sandage setzte die Tradition fort

52 Hubble HST Key-Project: Hubble-Konstante

53 Hubble-Projekt mit Cepheiden Eigenbewegung der Galaxien wird korrigiert Freedman et al. (2001), The Astrophysical Journal 553, 47

54 Lösung Hubble Key- Project 2001 Alle Daten Erst jenseits Coma- Haufen

55 Wendy Freedman

56 Die lange Geschichte von H Compilation by John Huchra H0 (km/s/mpc) Baade identifies Pop. I and II Cepheids Brightest stars identified as H II regions 200 Jan Oort Date

57 Der 20-jährige Krieg Sandage, Tammann vs de Vaucouleurs general cosmology dependent Key project Sandage camp de Vaucouleurs camp H0 (km/s/mpc) Date Compilation by John Huchra Vernünftige Konvergenz erst seit 1996!

58 Konvergenz Hubble-Konstante H 0 de Vaucouleurs Riess et al ,8 +/- 2,3 Sandage & Tammann Jahr arxiv:

59 Hubble-Konstante H 0 Spitzer-Program

60 Bedeutung der Hubble-Konstanten 1. H 0 bestimmt die Skala des Universums: R H = c/h 0 = 4222 Mpc : Hubble-Radius beobachtbares Universum wird damit eingeschränkt. 2. H 0 bestimmt das Alter des Universums: t H = 1/H 0 = 13,7 Mrd. Jahre : Hubble- Alter, effektives Alter hängt von Dichte ab. Beachte: Das Hubble-Alter ist nur ein Maß für das Alter des heutigen Universums. 3. Kritische Dichte Dichteskalierung: r crit = 3H 0 ²/8pG ~ 1 Galaxie / Mpc³

61 Sphärisches Universum Kosmisches Netzwerk DM Sonnenmassen / nicht beobachtbar! Wir sind hier Hubble Volumen des Universums Mpc

62 SN Ia als Standard -Kerzen SNe werden so hell wie das Zentrum der Galaxie SN 1994D CO Weißer Zwerg an Chandrasekhar Massengrenze

63 m B = 11,8 mag M B = -19,31 mag für SN Ia d = 16,7 Mpc uncorrected

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

65 Maximale Helligkeit Farbe (c) Typische SN Ia Methode der Kalibration Lichtkurve Breite (stretch) m m M ( s 1) B B B c

66 B. Dilday Supernovae Ia sind hell! Moderne Standardkerzen 500 spektroskopisch bestätigte SNe Ia von SDSSII

67 SDSS SN Ia in Redshift Space

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

69 Hubble-Gesetz mit Supernovae H 0 ist die Hubble Konstante, H 0 = 63 +/- 6 km/s/mpc Calán-Tololo Daten

70 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) Hubble-Konstante aus Standard Kerzen (M=const.) m = 5 log(z) + b b = M log([c/h 0 ] / Mpc)

71 Typ Ia SNe gute Standardkerzen z<2 Satelliten HST EUCLID, Wichtig: Fehler bleibt konstant mit z! 2011 Conley et al. 2011

72 Abweichungen vom Hubble- Gesetz kosm. Expansion z = 2 z = 1

73 Entdeckung 1998! Hat Europa geschlafen? Nobelpreis in Physik 2011! Hi z Supernova Team Supernova Cosmology Project Nobelpreisträger 2011 Mark Philips

74 Supernovae Programme > 2012 Dark Energy Survey Chile > 2012 ESA M-Mission Start 2019 MPIA HD, Bonn, MPIeX Garching WFIRST / NASA 1,5 m Spiegel Finanzierung? LSST / 8-m Survey Tel Chile SNe Ia/Jahr Überwachung SHimmel 5 d

75 The Dark Energy Survey Future prospects CTIO Blanco / 5000 Quadratgrad / Survey 300 Mio. Galaxien 3000 Supernovae Cosmic microwave background radiation Distribution of dark matter at early times Distribution of galaxies Some clues to distribution of matter Galaxy velocities Galaxies fall towards dark matter clumps Gravitational lensing

76 Dark Energy Survey 570 MPixel GBytes pro Bild 400 Bilder pro Nacht TBs

77 ESA/EUCLID

78 Das Hubble-Gesetz und die Dritte Dimension des Universums

79 2MASS Galaxienverteilung 2004 Blau: die nächsten Galaxien (z < 0,01; d < 42 Mpc); Grün: mittlere Distanzen (0,01 < z < 0,04; 42 < d < 168 Mpc); Rot: weit entferntesten Galaxien, die 2MASS noch auflöst (0,04 < z < 0,1).

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82 Bestimme die Spektren aller hellen Galaxien längs eines d-streifens Winkelverteilung der hellen Galaxien am Süd-Himmel

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

84 No of objects Area & Size of Redshift Surveys 1.00E E+08 SDSS photo-z 1.00E+07 SDSS main SDSS-III 1.00E+06 SDSS red SDSS abs line 1.00E+05 CfA+ SSRS 2dF 2dFR 1.00E+04 LCRS SAPM QDOT z=0,2 z = E E E E E E E E E+11 Volume in Mpc 3

85 Galaxien nicht gleichmäßig verteilt Struktur besteht aus Wänden und Voids Galaxien 70 Mpc cz (km/s) 140 Mpc Geller and Huchra, Science 1989

86 Cosmic Web Kantenlänge = 100 Mpc Galaxienhaufen, Filamente, Voids

87 2dF Telescope Australia Galaxien & Quasare 2000

88 Spektrograf im AAT Primärfokus

89 2dF Galaxy Redshift Survey final release galaxies (from Colless et al. 2003)

90 2dF Rotverschiebungs- Verteilung Filamente, Galaxienhaufen m B < 20 mag Expo-Abfall

91 Sloan Digital Sky Survey SDSS Apache Point Observatory 1 Mio. Galaxien / QS York et al 2001; Fan et al

92 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 Streifen von 2,5 Grad

93 SDSS Kamera 5 Gunn-Filter 6 CCD Kolonnen 2048 x 2048 Pix 200 Gbyte/Nacht

94 Johnson Photometrie

95 SDSS Filter System

96 SDSS Faser-Spektrograph

97 SDSS Typische Galaxie

98 SDSS M Stern

99 Der Galaxien-Zoo

100 Zur Erinnerung: Hubble s Stimmgabel Elliptische Galaxien Spiral-Galaxien Linsen-Galaxien Balken-Spiralen

101 SDSS Messier 51

102 SDSS Gravitationslinsen

103 SDSS Kamera

104 SDSS Kamera Jedes Objekt wird spektroskopiert

105 Entfernter Galaxienhaufen

106 Schaumartige Struktur SDSS Streifen SDSS

107 SLOAN 2,5 deg Slice Color: Luminosity

108 Sloan Great Wall ~200 Mpc

109 Sloan Digital Sky Survey

110 SDSS Quasare Emissionslinien l 0 = 121,6 nm z = 3,3

111 Histo SDSS Quasare DR7: Quasare

112 SDSS Hi z Quasare 1 Quasar mit z > 5,7 / 160 deg²

113 SDSS-III BOSS Survey

114 SDSS-III BOSS

115 SDSS-III BOSS

116 SDSS-III BOSS

117 Galaxien Quasare 1 < z < 2

118 Baryonische Oszillationen BAOs

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120 Zukunft Mayall 50 Mio. Objekte 20 Mio. Spektren

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122 Zusammenfassung Hubble 1924: Andromeda ist extragalaktisch Spiegelteleskope erschliessen den Kosmos. Alle Galaxien und Quasare zeigen Rotverschiebung kosmische Expansion Lemaître 1927: cz = H 0 d, z < 0,1~420 Mpc Cepheiden und Supernovae Ia sind kosmische Eichkerzen: µ = 5 log(d/mpc)+25 Struktur des Universums nur bis zu z = 0,2 durchforstet Galaxien bilden Cosmic Web BOSS bis z < 0,7 (2014) Zukunft