Astronomie für Nicht-Physiker:

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1 Astronomie für Nicht-Physiker Vorlesungsplan Astronomie heute: Just, Fendt Sonne, Erde, Mond: Fohlmeister 2.5. Das Planetensystem: Fohlmeister Teleskope, Bilder, Daten: Fendt Geschichte der Astronomie: Just 6.6. Sterne - Zustandsgrößen: Fendt Sterne - Entwicklung: Fendt Die Milchstraße: Just Astrochemie und Leben: Fendt 4.7. Galaxien: Just Aktive Galaxien, Quasare und Schwarze Löcher: Fendt Urknall und Expansion des Universums: Just Weltmodelle: Just 1.8. Besuch MPIA/LSW und HdA: Fendt 1

2 Inhalt Normale Galaxien Typen und Klassifikation Eigenschaften Verteilung von Galaxien Lokale Gruppe Feldgalaxien Paare, Gruppen, Haufen, kosmisches Netz 2

3 Spiralgalaxien mit und ohne Balken 3

4 Spiralgalaxien Astronomie für von Nicht-Physiker: oben oder von der Kante gesehen 4

5 Elliptische Galaxien: M89 NGC 1316, Fornax M87, Virgo M59 5

6 Zwerggalaxien: LMC+SMC M32 Pegasus 6

7 Wechselwirkende (kollidierende, verschmelzende) Galaxien 7

8 Galaxienhaufen mit kollidierenden Galaxien 8

9 Virgo Galaxienhaufen Normale + sehr lange Belichtung (in Falschfarben) 9

10 Kataloge Galaxien (namensgebend): NGC:New General Catalogue (Dreyer 1888; Sinnott 1988) UGC:Uppsala General Catalog of Gal. (Nielson 1973) IC:Index Catalogue (Additions to NGC; Dreyer 1895, 1908; Sinnott 1988) RC3:Third Reference Catalog of Bright galaxies (de Vaucouleurs et al.1991) Galaxienhaufen: Abell:Catalog of Rich Clusters of Galaxies (Abell 1958, Abell et al. 1989) Bilder (Bibliothek ARI): A.Sandage, The Hubble Atlas of Galaxies, 1961 A.Sandage, J.Bedke; The Carnegy Atlas of Galaxies,

11 Klassifikation 11

12 Klassifikation von Galaxien Hubble-Sequenz Elliptische Galaxien (E0-E7) E0: rund E7: Achsenverhältnis 10:3 Linsenförmige Galaxien (S0) Bauch und Scheibe (ohne Spiralarme) Spiralgalaxien (Sa-Sc) Mit (Sba-c) oder ohne Balken Bauchgröße abnehmend Spiralarme weiter geöffnet Gasanteil zunehmend Irreguläre Galaxien (Sd, Irr) Klumpige Struktur Frühe Typen späte Typen 12

13 Hubble-Klassifikation: Beispiele 13

14 Hubble-Klassifikation: Beispiele 14

15 Klassifikation von Galaxien Zwerggalaxien Zwergellipsen Zwergshäroidale Zwergirreguläre Blaue kompakte Zwerge hell.... leer schwach 15

16 Galaxien in anderen Wellenlängen Röntgen UV optisch NIR (2mm) optisch IR (8mm) Thermisches IR (24mm) HI (21cm) 16

17 Leuchtkräfte und Massen Leuchtkraftbereich von Galaxien M V =-24 mag Riesen-elliptische Galaxien im Zentrum von Galaxienhaufen M V =-20 mag Milchstraße M V =-1.5 mag Segue1 entdeckt von Belokurov et al. 2007, ApJ 654, 897, Doktorand am MPIA in Heidelberg Leuchtschwächste Zwerggalaxie Entfernung D = 23 kpc, Durchmesser R = 100 pc Masse Sterne m= M Sonne Dynamische Masse m dyn ~ 10 8 M Sonne Dominiert durch Dunkle Materie (kein Kugel-Sternhaufen) 17

18 Eigenschaften von Galaxien Helligkeit/Farbe Hellste Galaxien: rot Rote Galaxien: elliptisch Blaue Galaxien: Spiralgalaxien Alter/Entwicklung: nächste Stunde 18

19 Korrelationen Spiralgalaxien Tully-Fisher-Relation Leuchtkraft L und maximale Rotationsgeschwindigkeit v korrelliert: L~v 2.6 Elliptische Galaxien Fundamentalebene Leuchtkraft I e Radius r e Geschwindigkeitsstreuung σ 0 korrelliert: r e ~σ I e

20 Dunkle Materie (DM) 2 historische Meilensteine 1937: Fritz Zwicky Geschwindigkeiten der Galaxien im Coma-Haufen Streuung σ Coma 1000 km/s Zugehörige dynamische Masse, um den Haufen gravitativ zusammenzuhalten, ist um ein Vielfaches größer als die aus der Leuchtkraft der Galaxien bestimmte Masse von Sternen und Gas 1970er: Rubin, Freeman u.a. Gasrotationskurven von Spiralgalaxien flach und viel weiter ausgedehnt als Sternverteilung Kreisbahnen: eingeschlossene Masse wächst proportional zum Abstand Ausgedehnter Halo aus Dunkler Materie Fehlende (unsichtbare) Masse = Dunkle Materie oder modifiziertes Gravitationsgesetz (MOND-Theorien) 20

21 Dunkle Materie Rotationskurven Bulge Scheibe (Sterne und Gas) DM Halo DM Halo Scheibe DM Halo Scheibe: Sterne Gas 21

22 Galaxienverteilung Galaxien sind nicht zufällig im Raum verteilt Lokal Feldgalaxien Paare Gruppen Haufen Großräumig Das kosmische Netz Global Homogenes und isotropes Universum 22

23 Lokale Gruppe Spiralgalaxien: Milchstraße, Andromedanebel M31 und M33 Kleine und Große Magellansche Wolke Ca. 40 Zwerggalaxien Andromedanebel M31 + M32 (de or E2) + NGC 205 (de or E5) LMC und SMC 23

24 Zwerggalaxien Lokale Gruppe Massen M sonne Einige mit sehr geringer Flächenhelligkeit Einige lösen sich gerade im Gezeitenfeld der Milchstraße auf Leo1: nahe bei der Milchstraße Sgr Zwerggalaxie, zerrissen im Gezeitenfeld der Milchstraße 24

25 Lokale Gruppe Die meisten Zwerggalaxien sind Begleiter von Milchstraße oder M31 25

26 Galaxienverteilung Rand des 'heutigen (lokalen) Universums' Lichtlaufzeit Entfernung t ~ 1 Gyr D ~ 300 Mpc Expansionsgeschwindigkeit: Rotverschiebung z ~ 0.07 Entfernungsmodul m-m ~ 37.5 mag v ~ km/s Erscheinung der Milchstraße in der Entfernung von D~ 300 Mpc absolut scheinbar Helligkeit M V =-20 mag m V =17.5 mag radiale Skalenlänge L=3 kpc l = 2" Rotverschiebung λ=550 nm λ obs = 589nm Gerade noch im V-Band, aber Farbkorrekturen notwendig 26

27 Feldgalaxien Gleichmäßig/zufällig im Raum verteilt Gravitativ ungebunden zu anderen Galaxien Mischung: Spiralen/Elliptische Galaxien 1:1 Große Galaxien sind von Zwerggalaxien umgeben 27

28 Galaxienpaare Schwer zu identifizieren, wenn nicht wechselwirkend NGC 1409, 1410 Projiziert oder gebunden? M51 28

29 Galaxiengruppen Bis zu 50 Mitglieder Kleine Gruppen sehr kompakt Kurze dynamische Lebensdauer Im letzten Gyr entstanden? Kompakte Gruppen Hickson compact groups: HCG87 Stephans Quintett D ~ 100 Mpc 29

30 Galaxienhaufen Größte gravitativ gebundene Systeme im Universum ~ Galaxien < 30% Spiralgalaxien Virgohaufen Am nähesten: D~17Mpc Radius ~1Mpc; Unterstrukturen M87 im Zentrum des Virgohaufens 30

31 Comahaufen Galaxienhaufen 31

32 Galaxienhaufen Galaxienkollision in Abell

33 Galaxienhaufen Abell 2218 mit Bögen=Gravitationslinsenbilder von Hintergrundgalaxien 33

34 Galaxienhaufen Geschwindigkeitsstreuung σ~1000km/s 40% der Haufen haben heißen Röntgenhalo Heißes Gas mit T~ K Gasmasse ~ 5x(stellare Masse) Comahaufen: D~100Mpc Ø~ 3 am Himmel Links: optisches Bild, rechts: Röntgenbild 34

35 Galaxienhaufen in großer Entfernung / Rotverschiebung Zentrum eines entfernten Haufens Haufen bei großer Rotverschiebung D~2.5Gpc 35

36 Kosmologische Rotverschiebung Fluchtgeschwindigkeit Proportional zur Entfernung v=h 0 D Hubblekonstante H 0 70 km/s/mpc Dopplereffekt: Rotverschiebung z=v/c; Δλ=z λ 0 Historisch: Edwin Hubble 1929 H km/s/mpc 36

37 Supernovae Typ 1a Kosmologische Entfernungen Fluchtgeschwindigkeit = Rotverschiebung v=z c Supernovae Typ 1a (SN1a) Hellste Entfernungsindikatoren SN1994D in NGC 4526 z c=850km/s (SN Ia) Massenfluss in Doppelsternsystem von Rotem Riesen auf Weißen Zwerg bis Chandrasekhar Massengrenze überschritten: Ausgangssituation für SN-Explosion immer gleich -> Helligkeit immer gleich 37

38 Supernovae Typ 1a Klassifikation Lichtkurven Spektren 38

39 Supernovae Typ 1a Dopplereffekt Fluchtgeschwindigkeit + Radialgeschwindigkeit Expansion der Hülle: v = km/s 39

40 Supernovae Typ 1a Leuchtkraftkorrekturen K-Korrektur Extinktion + Rötung 0, 0.1, 0.5, 1.0 =z 40

41 Supernovae Typ 1a Leuchtkraft nicht immer gleich Korrelation Dauer max. Helligkeit Leuchtkraftkorrekturen Relativistische Zeitdilatation K-Korrektur Extinktion Abzug von Galaxienlicht Eichung an beobachteten SN1a mit bekannter Entfernung 41

42 Supernovae Typ 1a SDSS II: Supernova Survey: Beispiele Src.: Zheng et al AJ 135,

43 Kosmologische Rotverschiebung Leuchtkraftentfernung Entfernungsmodul (m B -M B )(z) Abhängig vom Weltmodell Beschleunigte Expansion (Physik-Nobelpreis 2011) Steigung bei kleiner Rotverschiebung z liefert die Hubblekonstante H 0 =71km/s/Mpc 43

44 Kosmisches Netz Großräumige Verteilung aus Rotverschiebungssurveys Schwammstruktur (Filamente mit Galaxienhaufen in Knoten) H 0 =70 km/s/mpc z=δλ/λ=v/c=0.033 v=10000 km/s D=v/H 0 =cz/h 0 D=140 Mpc 44

45 Kosmisches Netz Neue Durchmusterungen (2dF, SDSS surveys) Schwammstruktur gleichmäßig im Raum (in alle Richtungen und Entfernungen) SDSS: Tegmark et al

46 Globale Struktur Schwache Radioquellen bei z ~ 1 (vor 7-8 Gyr) Gleichmäßig in Entfernung und Richtung verteilt Universum homogen und isotrop auf sehr großen Skalen 46

47 Astronomie für Nicht-Physiker Vorlesungsplan Astronomie heute: Just, Fendt Sonne, Erde, Mond: Fohlmeister 2.5. Das Planetensystem: Fohlmeister Teleskope, Bilder, Daten: Fendt Geschichte der Astronomie: Just 6.6. Sterne - Zustandsgrößen: Fendt Sterne - Entwicklung: Fendt Die Milchstraße: Just Astrochemie und Leben: Fendt 4.7. Galaxien: Just Aktive Galaxien, Quasare und Schwarze Löcher: Fendt Urknall und Expansion des Universums: Just Weltmodelle: Just 1.8. Besuch MPIA/LSW und HdA: Fendt 47