Astrophysik II. Schwerpunkt: Galaxien und Kosmologie. Bachelor Physik mit (Nebenfach) Astronomie Wintersemester 2017/18 Dr.
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1 Astrophysik II Schwerpunkt: Galaxien und Kosmologie Bachelor Physik mit (Nebenfach) Astronomie Wintersemester 2017/18 Dr. Benjamin Moster Vorlesung 7: Großräumige Struktur 1
2 Letzte Vorlesung: Spektrale Energieverteilung Spektrale Flussdichte ist definiert pro Wellenlänge (pro μm) IR/Radio unterrepräsentiert, Röntgen verstärkt Spektrale Energieverteilung λf λ (bzw νf ν ) gibt emittierte Energie in jedem Bereich des Breitbandspektrums an 2 Astrophysik II (Bachelor)
3 Der zentrale Motor: AGN Größe aus Beobachtungen: ~3x10 12 m = 10-4 pc (~20 AU) Kann mit Teleskopen nicht aufgelöst werden Leuchtkraft von AGN meist > 1011 L (bestimmt aus Flussdichte) Supermassive Schwarze Löcher können diese Leistung haben Kein Rand/Oberfläche, aber Ereignishorizont: Fluchtgeschwindigkeit gleich Lichtgeschwindigkeit (kann nicht von innen nach außen überschritten werden) Radius gegeben durch Schwarzschildradius: R S = 2GM c 2 Bei Radius von 10-4 pc ist Masse ~ 10 8 M Einfallendes Gas bildet Akkretionsscheibe um Schwarzes Loch Viskosität führt zu Reibung Erhitzen Akkretionsscheibe kann große Menge Energie abstrahlen 3 Astrophysik II (Bachelor)
4 Modelle aktiver Galaxien Alle verschiedenen Typen von aktiven Galaxien können in einfachem Bild erklärt werden: Zentrales SMSL und Akkretionsscheibe sind von Staubtorus umgeben Staubtorus wird erhitzt und strahlt im IR ab Innerhalb des Staub- torus: Region mit breiten Linien (BLR) Außerhalb: Region mit schmalen Linien (NLR) AGN Typ hängt vom Betrachtungswinkel ab 4 Astrophysik II (Bachelor)
5 Wie entstehen eigentlich Galaxien? Das frühe Universum ist heiß und dicht und dehnt sich seit dem Urknall aus Dichtefluktuationen beginnen zu kollabieren Gravitationsinstabilität Kalte Dunkle Materie: Halos aus Dunkler Materie entstehen und wachsen durch Verschmelzung mit anderen Hierarchisches Wachstum (bottom-up) Heiße Dunkle Materie: Große Halos entstehen / fragmentieren Antihierarchisch (top-down) Kosmologische Konstante Λ (Dunkle Energie) führt zu beschleunigter Expansion im späten Universum 5 Astrophysik II (Bachelor)
6 Großräumige Struktur Strukturen gibt es auf allen Größenordnungen von der Erde bis zur großräumigen Struktur im Universum 6 Astrophysik II (Bachelor)
7 Die Lokale Gruppe Unsere Milchstraße ist Teil der Lokalen Gruppe (Galaxienanhäufung) Die Milchstraße selbst hat ~12 Satellitengalaxien (incl. LMC/SMC) Größte Galaxien sind Milchstraße und Andromedagalaxie (M31, Sb, 0.8 Mpc) ~100 Galaxien in LG (2 Mpc) - genaue Anzahl unklar Galaxiengruppe ist Konzentration von wenigen Galaxien (gravitativ gebunden) Wo sind die ganzen Satelliten? 7 Astrophysik II (Bachelor)
8 Galaxienhaufen Anzahl der Galaxien im Haufen (richness) kann stark variieren Größe der Haufen ist jedoch immer ~ Mpc Verglichen mit der Größe des (lokalen) Universums sind Haufen immer noch relative kleine Strukturen Großteil der Galaxien ist NICHT in einem Haufen Beobachtung mit großen Teleskopen und langer Integrationszeit Erste Beobachtung von Shapley Coma-Haufen (rechts) ist kugel- symmetrisch / hat nur Ellipsen Virgo-Haufen ist irregulär und hat auch Spiralen 8 Astrophysik II (Bachelor)
9 Galaxienhaufen Erste systematische Beobachtung von George Abell 1958 (2712 Haufen) Auf Grund von visuellen Unterschieden konnte Abell die Haufen nach verschiedenen Kriterien klassifizieren - z.b. richness Distanz konnte nicht für jeden Haufen direkt gemessen werden Bestimmung mit Standardkerze : 10.hellste Galaxie hat feste Leuchtkraft Problem: Feldgalaxien könnten zu Haufen gezählt werden (Projektion) Anordnung von Haufen im Universum ist nicht zufällig, sondern stark gehäuft großräumige Struktur Für 3D Karten muß Entfernung sehr genau bestimmt werden! 9 Astrophysik II (Bachelor)
10 Eigenschaften von Galaxienhaufen Wichtigste physikalische Größe eines Haufens ist die Gesamtmasse bestimmt gravitativen Einfluß auf die Umgebung Kann allerdings nicht direkt gemessen werden und muss aus meßbaren Größen (observables) abgeleitet werden (Photonen) Einfachste Methode: Virial-Theorem (siehe Übungen) Galaxien im Haufen bewegen sich im Gravitationsfeld der Gesamtmasse Geschwindigkeiten können direkt gemessen werden (Doppler-Shift) Haufen ist am Anfang seiner Entstehung noch nicht virialisiert Interaktionen von Galaxien, Gas und DM verteilen die Energie Wenn Zustand erreicht ist, in dem kinetische und potentielle Energie konstant sind: Haufen ist relaxiert bzw. im dynamischen Gleichgewicht Aus Geschwindigkeitsdispersion und Radius kann Masse berechnet werden: M = R! 2 /G (Virgo:!=550km/s M = 1.4x10 14 M ) Sichtbare Materie macht nur 10-30% aus Dunkle Materie 10 Astrophysik II (Bachelor)
11 Berühmte Astronomen: Fritz Zwicky (Bulgarien) (Pasadena) Vater war Schweizer Baumwollhändler Kam mit 6 Jahren in die Schweiz - Matura in Zürich Studierte an der ETH Mathematik und Experimentalphysik - Promotion über Einkristalle Emigrierte mit Rockefeller-Stipendium 1925 nach Pasadena ans Caltech 1942 Professor für Astronomie - Arbeitete auch im Bereich Raumfahrt Schoß am den ersten Gegenstand ins All der nicht mehr zurückkehrte (Metallkugel mit 1 cm Durchmesser) Artificial Planet No 0 War schwierig im Umgang: Vorbild für Möbius in Die Physiker Hypothese für Supernova als Kernkollaps (Neutronensterne) Virialtheorem: Dunkle Materie 11 Astrophysik II (Bachelor)
12 Röntgenstrahlung von Haufen Haufen nicht nur im optischen sichtbar sonder auch im Röntgenbereich Haufen gehören zu hellsten Röntgenquellen - sehr heißen Gas (10 8 K) In den letzten Jahren konnten Haufen besser durch Röntgenstrahlung identifiziert werden (keine Projektionseffekte) - diffuse Strahlung Röntgenstrahlung bilden Breitbandspektrum mit Emissionslinien Thermische Bremsstrahlung Heißes Intra- Cluster Medium zwischen Galaxien) Durch sehr niedrige Dichten kann Strahlung entkommen 12 Astrophysik II (Bachelor)
13 Thermische Bremsstrahlung Röntgenstrahlung typisch für Gas: hohe Temperatur & niedriger Dichte Freies Elektron passiert Ion (Proton) und wird abgelenkt Dabei wird Photon emittiert und Elektron verliert kinetische Energie Auch als frei-freie-emission bezeichnet (Elektron davor/danach frei) Energie des Photons hängt von therm. Energie der Elektronen ab: E=kT Energien von 1 bis 10 kev (10 7 bis 10 8 K) sind üblich für Haufen Röntgenspektrum ist kontinuierlich (da Geschwindigkeitsverteilung der Elektronen kontinuierlich ist) 13 Astrophysik II (Bachelor)
14 Masse durch hydrostatisches Gleichgewicht Masse eines Haufen kann mit Hilfe v. heißem Gas berechnet werden Gas in Haufen wird durch Gravitationsfeld (erzeugt durch Masse) zum Zentrum gezogen (FG) Das Gas wird stabilisiert durch eigenen Druck (je nach Temperatur) FP Im Gleichgewicht ist das Temperaturprofile so, dass FP = FG Linke Seite ist Druckgradient, rechte Seite ist Masse mal Gradient des Potentials Statische Euler-Gleichung ~rp = r ~ Divergenz der Felder: ~r ( rp/ ) ~ = = 4 G Kugelsymmetrie: 1 r 2 r r P = 4 G DM gas Ideales Gas: r 2 gas r gas m = 4 G r 02 dr 0 DM = GM DM (r) 0 Masse des Haufens: M(r) = gaskt dln gas + dlnt mg dlnr dlnr Z r 14 Astrophysik II (Bachelor)
15 Starker Gravitationslinseneffekt Lichtablenkung hängt von Masse der Linse ab Bild der Hintergrundgalaxien wird verzerrt (mehrere Bilder) Starker Linseneffekt Verstärkung (Fokusierung) Wenn Objekt direkt hinter Linse ist Einsteinring q 4GM D Aus ART: E = LS c 2 D L D S Entfernungen müssen bekannt sein (zb Rotverschiebung) Hängt nur von Gesamtmasse ab (keine Annahmen über Virialisation oder Hydrostatik) 15 Astrophysik II (Bachelor)
16 Schwacher Gravitationslinseneffekt Bei weiter Entfernung nur schwache Ablenkung Bilder der Hintergrundgalaxien leicht verzerrt: Cosmic Shear Statistische Analyse der Formen gibt Haufenstruktur Masse kann sehr genau kartographiert werden 16 Astrophysik II (Bachelor)
17 Zusammensetzung von Haufen Masse von Haufen liegt zwischen 1014 und M Großteil der Masse ist Dunkle Materie und heißes Gas Beobachtbare Masse ist deutlich kleiner (nur ca %) Gas ist meistens am selben Ort wie die Gesamtmasse Modifizierte Gravitationstheorie? Wenn zwei Haufen kollidieren kann DM einfach passieren während im Gas ein Schock entsteht Gas kann nicht ungehindert passieren Bullet Cluster (Geschosshaufen) zeigt genau das: DM (weak lensing) und Gas (Röntgen) nicht am selben Ort! 17 Astrophysik II (Bachelor)
18 Die Lokale Gruppe ist teil eines Superhaufens: Laniakea Zentrum ist der Virgohaufen Gesamtmasse:1017 M Durchmesser ca. 160 Mpc Relativ lose gebundenes System Knoten von 3 großen Filamenten Großräumige Struktur Superhaufen sind selbst kein Teil noch größerer Strukturen größte Objekte im Universum Filamente und Seiten (sheets) umgeben leere Bereiche, die Lücken (voids) Zusammen bilden sie das Kosmische Netz 18 Astrophysik II (Bachelor)
19 Großräumige Struktur zuerst beobachtet durch APM Survey (automatic plate measuring) Überlagerung von mehreren Strukturen möglich (Projektion) Daher Entfernung wichtig Großräumige Struktur Heute gibt es große Redshift- Surveys, die automatisch Spektren von Millionen Galaxien aufnehmen Hubble-Gesetz gilt aber nur bei kleinen Rotverschiebungen (lokale Näherung) Genaue Rotverschiebung- Entfernungs-Beziehung hängt vom kosmologischen Modell ab 19 Astrophysik II (Bachelor)
20 Redshift Surveys IRAS PSCz Survey CfA Survey SDSS 2dF Survey 20 Astrophysik II (Bachelor)
21 Weit entfernter Quasar sendet Licht aus mit Lyα-Emissionslinie (bei 121 nm) Während das Licht zu uns unterwegs ist, wird es bis ins Infrarote verschoben Wenn es durch eine kalte Gaswolke fällt, wird bei 121 nm Licht absorbiert Spektrum wird weiter rotverschoben, mehr Linien entstehen bei anderen Wolken Lyman-α-Wald Gasverteilung kann gemessen werden Der Lyman-α-Wald 21 Astrophysik II (Bachelor)
22 Der Lyman-α-Wald 22 Astrophysik II (Bachelor)
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