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 4: Galaxien im Universum 1

2 Vorletzte Vorlesung: Unsere Milchstraße Sterne entstehen in Molekülwolken Junge Sternhaufen in Spiralarmen Dünne Scheibe: älter als Spiralarm-Sterne Dicke Scheibe: älteste Scheibensterne Neutraler Wasserstoff wird mit Hilfe der 21cm Linie gemessen Sterne bewegen sich relativ zu den Spiralarmen (hinein und heraus) Kugelsternhaufen befinden sich in stellarem Halo Alter und Entfernung werden mit Farb-Helligkeits Diagramm bestimmt 2 Astrophysik II (Bachelor)

3 Galaktische Astronomie Bis in die 1920er: unklar ob es Objekte außerhalb der Milchstraße gibt Great Debate April 1920 Shapley: Milchstraße = ganzes Universum Curtis: Milchstraße = nur eine Galaxie Bis 1930: Größe der Milchstraße bestimmt Hubble: externe Galaxien existieren Galaxien werden nach Aussehen (Morphologie) klassifiziert Wenn Morphologie etwas über physikalische Prozesse verrät, können einzelne Galaxien genauer untersucht werden Verrät etwas über die ganze Klasse 3 Astrophysik II (Bachelor)

4 Berühmte Astronomen: Edwin Hubble (Missouri) (Kalifornien) War als Kind/Jugendlicher sehr guter Basketballer Studierte wie Eltern Jura (in Chicago) und war 3 Jahre am Queen s College (Oxford) War ein Jahr High-School Lehrer (Spanisch) Promovierte in Chicago in Astronomie (Photographic Investigations of Faint Nebulae) Trat im 1. Weltkrieg in die Armee ein, war aber nie im Kampfeinsatz Wurde danach Staff Astronomer am Mount Wilson Observatory Wichtigste Arbeiten: Relation zwischen Rotverschiebung und Distanz Klassifikations-Schema für Galaxien Namenspate für das Hubble Space Telescope 4 Astrophysik II (Bachelor)

5 Die Klassifikation nach Hubble Hubble Stimmgabel beschreibt Unterteilung von Galaxien Vier Typen: Ellipsen, Spiralgalaxien, Lenitkuläre (Linsenförmige) & Irreguläre Für Scheiben (Spiralen & Lentikuläre): mit und ohne Balken (B) Unterteilung der Gruppen in Hubble- Typen: E0-E7, S0, Sa, Sb, Sc, Irr Wie werden die Klassen bestimmt? Symmetrie? Lichtkonzentration im Zentrum? Scheibe / Spiralarme? Andere Eigenschaften bestimmen den Hubble-Typ 5 Astrophysik II (Bachelor)

6 Ellipsengalaxien Ellipsengalaxien haben elliptische Form am Himmel und keine Substruktur Erhöhte Helligkeit im Zentrum - Abfall nach außen Hubble-Typen: E0 (rund) bis E7 (gestreckt) Ergibt sich aus relativer Größer der großen (a) und kleinen Halbachse (b): Abflachungsfaktor f = (a-b)/a multipliziert mit 10, gerundet ergibt Typ Keine Ellipsen mit f > 0.7: instabil Wahre Gestalt der Galaxien wird nicht berücksichtigt nur Form am Himmel im optischen Spektralbereich Wenig bis keine Sternentstehung Alternativer (älterer) Name: früher Typ (early-type) resultiert aus falschem Verständnis der Entstehungsgeschichte 6 Astrophysik II (Bachelor) E0 E3 E6 M89 M86 M110

7 Spiralgalaxien Spiralgalaxien bestehen aus Scheibe mit Spiralarmen und Bulge/Balken im Zentrum Erscheinen oft als Ellipsen - nur Projektionseffekt Neigungswinkel durch Achsenverhältnis bestimmbar Sa, Sb, Sc (ohne Balken), SBa, SBb, SBc (mit Balken) Sa/SBa: dicht gewickelte Arme und großer Bulge Sc/SBc: lose gewickelte Arme und kleiner Bulge Wenn Hubble-Typ unklar: Kombination aus 2 Typen Falls zwischen Sa und Sb Sab Aktive Sternentstehung meist in Spiralarmen Masse liegt meist im mittleren Bereich (wie Milchstraße): 10 9 M < m* < M Alternativer (älterer) Name: später Typ (late-type) SBa Sb SBc NGC 1300 M31 M109 7 Astrophysik II (Bachelor)

8 Linsenförmige und Irreguläre Galaxien Linsenförmige Galaxien haben großen Bulge und keine Spiralarme in der Scheibe Werden oft als Zwischenklasse von Ellipsen und Spiralgalaxien gesehen (armlose Spiralen) S0 (ohne Balken) und SB0 (mit Balken) Geringe Sternentstehungsraten Irreguläre Galaxien haben keine Symmetrie oder Gleichmäßigkeit Irr I: Zu wenig Struktur für Hubble-Sequenz Irr II: Keine Struktur dirr: Zwerg-Irrelguläre (oft zerstörte Scheiben) Beispiel: Große und Kleine Magellansche Wolken 8 Astrophysik II (Bachelor) S0 Irr II M102 M31

9 Physikalische Eigenschaften Hubble-Klassen sind bilden keine Entwicklungssequenz sondern hängen von der Umgebung ab Drehimpuls ist niedrig in Ellipsen und hoch in Spiralen Massereiche Galaxien sind eher Ellipsen als Spiralen/Scheiben Gasanteil in Spiralen ist relativ hoch (~10-20%) Gasanteil in Ellipsen ist niedrig (dafür heißes Gas im Halo) Ellipsen haben ältere Populationen als Spiralen (Ellipsen: rot, Spiralen: blau) 9 Astrophysik II (Bachelor)

10 Es gibt oblate Ellipsen (Semmel), prolate Ellipsen (Zigarre), und triaxiale Ellipsen Abflachung durch Rotation bei schnellen Rotatoren Abflachung durch Anisotropie bei langsamen Rotatoren Rotation von Ellipsen 10 Astrophysik II (Bachelor)

11 Zusammenfassung der Klassen 11 Astrophysik II (Bachelor)

12 Leuchtkraft von Galaxien Gemessen wird scheinbare Oberflächenhelligkeit (in Magnituden / arcsec 2 ) in bestimmtem Band Isophoten verbinden Punkte mit gleicher Oberflächenhelligkeit Galaxien der gleichen Klasse haben ähnliches radiales Profil der Oberflächenhelligkeit Ellipsen haben ein De Vaucouleurs-Profil: log µ(r) = log µ 0 kr 1/4 Scheiben haben ein exp-profil Allgemein: Sersic-Profil: log µ(r) = log µ 0 kr 1/n Oft werden mehrere Profile zusammen gefitted (Scheibe+Bulge) 12 Astrophysik II (Bachelor)

13 Projektionseffekte Runde Objekte (Spiralen), die geneigt sind, erscheinen wie Ellipsen Berechne Achsenverhältnis für bestimme Isophote Korrigiere Oberflächenprofil entsprechend 13 Astrophysik II (Bachelor)

14 Masse von Galaxien Masse kann auf verschiedene Weisen bestimmt werden, je nach Komponente Methode 1: Rotationskurven Misst Gesamtmasse innerhalb des Radius Probleme: Symmetrieannahme, geht nur bis zum Radius an dem Rotationskurve gemessen wird Radius muss bekannt sein - brauche Distanz Benutze 21cm Linie um Rotationsgeschwindigkeit zu bestimmen Falls Galaxie nicht aufgelöst werden kann: messe Verbreiterung der Linie durch Doppler-Shift 14 Astrophysik II (Bachelor)

15 Das Virial Theorem Virial Theorem setzt totale potentielle Energie in Beziehung zu Summe der kinetischen Energie aller Komponenten die Galaxie ausmachen Totale kinetische Energie Ek ist Summer der kin. Energie aller Sterne Jeder Stern hat (negative) potentielle Energie (= Energie die benötigt wird, den Stern aus dem System zu entfernen) Totale pot. Energie der Galaxie entspricht Energie, die benötigt wird, das System aufzulösen In stabilem Zustand gilt: Ek = Ep / 2 Sterne tauschen Energie durch gravitative Stöße aus Gravitativer Kollaps resultiert in virialisiertem System Daraus ergibt sich für die Geschwindigkeitsdispersion:! 2 M/R 15 Astrophysik II (Bachelor) Medode II: Berechne Masse aus Geschwindigkeitsdispersion und Radius

16 Masse von Galaxien Massive Ellipsen haben Halo aus heißem Gas Gas ist in hydrostatischem Gleichgewicht Anziehung durch Gravitation ist so groß wie der Druck den das Gas durch die heiße Temperatur aufbaut Heißes Gas strahlt Röntgenstrahlung ab Methode III: Temperaturprofil des Gases bestimmt Massenverteilung Ist man nur an den Sternen interessiert kann man Leuchtkraft in Masse umrechnen Dazu wird ein Modell benutzt, dass das Masse/Leuchtkraft-Verhältnis mit Hilfe des Spektrums berechnet Methode IV: Sternpopulations-Synthese 16 Astrophysik II (Bachelor)

17 Entfernungsbestimmung Einfachste Methode bei bekanntem Radius: d = r / θ Problem: Radius oft nicht bekannt Deshalb meistbenutzte Methode: Standardkerzen (Objekt mit bekannter Leuchtkraft) q d = L 4 F Distanz ergibt sich aus Leuchtkraft und Fluss F der auf der Erde gemessen wird Welche Quellen sind Standardkerzen? Was ist ihre Leuchtkraft? Alternativ: benutze Korrelation zwischen Rotverschiebung und Entfernung (Hubble- Relation): d z 17 Astrophysik II (Bachelor)