Optisch identifizierbare Spiralarme

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1 Optisch identifizierbare Spiralarme Gerhard Weihs Aufbau und Entwicklung der Galaxie Gerhard Weihs / Aufbau und Entwicklung der Galaxie 1

2 Überblick 1. Was sind Spiralarme? Historisches, Klassifikationen 2. Wie entstehen Spiralarme? Dichtewellen Theorie 3. Wie sehen die Spiralarme der Milchstraße aus? Untersuchungsmethoden Interpretationen 4. Zusammenfassung Gerhard Weihs / Aufbau und Entwicklung der Galaxie 2

3 1. Was sind Spiralarme? Spiralarme sind leuchtkräftige Gebiete einer Spiralgalaxie und wurden erstmals von Hubble in M31 entdeckt. 'Grand Design' Arme gut erkennbar 'Multiple arm' Mehrere Arme (3, 4, viele) 'Flocculent' undeutliche Ausprägung M31 Gerhard Weihs / Aufbau und Entwicklung der Galaxie 3

4 Beispiele für Spiralgalaxien Wikipedia Gerhard Weihs / Aufbau und Entwicklung der Galaxie 4

5 Komponenten der Spiralarme Als Teil der Scheibe sind Spiralarme gut sichtbar wegen ihrer Komponenten: große HII-Regionen, die Sternentstehungsgebiete mit Protosternen, junge Sterne des T-Tauri-Typs. OB-Sterne, Überriesen und Cepheiden, alle jünger als 100 Millionen Jahre (aber nur 1 % aller Sterne). Die Zwischenräume zwischen den Spiralarmen sind nur weniger leuchtstark. Weiters finden wir enorme Ansammlungen von Wasserstoff und Molekular-/Staubwolken. Gerhard Weihs / Aufbau und Entwicklung der Galaxie 5

6 Komponenten der Spiralarme (M51) sichtbares Licht: Spiralarme, rosa Stern-bildende Regionen und strahlend blauen Sternhaufen. Infrarot: Die rote Farbe kennzeichnet den Staub, und Hunderten von winzigen Stern-Klumpen. Gerhard Weihs / Aufbau und Entwicklung der Galaxie 6

7 2. Wie entstehen Spiralarme? Der Pionier der Studien der Rotation der Galaxie und der Bildung der Spiralarme war Bertil Lindblad in Lindblad erkannte auch, dass die naive Vorstellung von dauerhaft in Spiralen angeordneten Sternen unhaltbar ist wegen des Aufwickel-Problems. Gerhard Weihs / Aufbau und Entwicklung der Galaxie 7

8 Aufwickelproblem Da die Winkelgeschwindigkeit der Rotation der galaktischen Scheibe von der Entfernung vom Zentrum der Galaxie abhängt (differentielle Rotation) würden sich die Spiralarme schnell aufwickeln. Beispielsweise würden die Arme der Milchstraße nach Jahren komplett eng aufgewickelt sein. R = 2πR cot i Der Abstand zwischen den Spiralarmen nimmt wegen der differentiellen Rotation ab. Mit v = 200 km/s, R ~10 kpc, t = y R = 0.28 kpc, i =0.25 Gerhard Weihs / Aufbau und Entwicklung der Galaxie 8

9 Konzept der Dichtewelle Die Sterne und die Molekülwolken einer Galaxie umlaufen das Zentrum auf individuellen elliptischen Bahnen, die von innen nach außen eine zunehmende Winkeldrehung erfahren. Aus diesen Verdrehung können sich verschiedene Strukturen bilden: Den Spiralarmen haben nun die Rolle als eine mit konstanter Winkelgeschwindigkeit rotierende Störung des ansonsten axialsymmetrischen Gravitationspotentials der Galaxie. C. C. Lin and Frank Shu, (1964 and 1966) Gerhard Weihs / Aufbau und Entwicklung der Galaxie 9

10 Dichtewelle und Resonanzen Lindblad-Resonanzen: Resonanzen der Bahnen individueller Sterne innerhalb der Galaxie mit großräumigen galaktischen Strukturen, wie Spiralarmen, galaktischen Balken oder auch nahen Begleitern der Galaxie. wobei m die Zähligkeit der Symmetrie der Störung ist, z.b. die Anzahl der Spiralarme (1 für Balken, 2 für 2 Arme, usw. ). Innerhalb des Bereichs der Lindblad-Resonanz bleibt die Struktur stabil. Nach Popova (2005) liegt der Bereich für die Milchstraße zwischen 5 und 12 kpc. Simulation einer Dichtewelle (Wikipedia) (Wikipedia) Gerhard Weihs / Aufbau und Entwicklung der Galaxie 10

11 Auswirkungen der Dichtewellen Wenn Gas- und Staub-Wolken auf eine Dichte-Welle trifft, werden sie komprimieren, damit steigt die Sternentstehung-Rate, da einige Wolken sicher das Jeans Kriterium erfüllen. Da die Sternbildung nicht sofort geschieht, entstehen die Sterne etwas hinter der Dichte-Welle. Die heißen OB-Sterne ionisieren das Gas des ISM und formen H II-Regionen. Wegen ihrer kurzen Lebensdauer erreichen sie ihr Ende, bevor sie die Dichte-Welle vollständig verlassen haben. Die kleineren, röteren Sterne verlassen die Welle. Gerhard Weihs / Aufbau und Entwicklung der Galaxie 11

12 3. Spiralarme in der Milchstraße? Gerhard Weihs / Aufbau und Entwicklung der Galaxie 12

13 Suche nach Spiralarmen Viele Untersuchungen mit unterschiedlichen Methoden: 1958 Oort HI mit 21 cm Radio, 1976 Georgelin & Georgelin HII-Regionen, 1995 Vallee Review 2003 Russeil HII Sternentstehungs-Gebiete 2006 Nakanishi H., Sofue Y., Molekülwolken 12 CO (J = 1 0) 2006 Levine HI-Schicht Dicke 2008 Vallee kinematisch 2009 Reid et al. parallaktisch SF-Gebiete Gerhard Weihs / Aufbau und Entwicklung der Galaxie 13

14 Oort: HI-Gebiete (1958) Von Oort 1958 gemessen (21- cm line) Stimmt nicht mit den Beobachtungen überein Scheffler & Elsässer (1992). Gerhard Weihs / Aufbau und Entwicklung der Galaxie 14

15 Georgelin & Georgelin : HII-Gebiete (1995) 1 Sagettarius-Carina 2 Scutum-Crux 1' Norma (interner Arm) 2' Perseus (äußerer Arm) Georgelin & Georgelin (1995). Gerhard Weihs / Aufbau und Entwicklung der Galaxie 15

16 Russeil: HII-Sternentstehungs-Gebiete (2003) 1 Sagettarius-Carina 2 Scutum-Crux 1' Norma-Cygnus 2' Perseus Russeil (2003). Gerhard Weihs / Aufbau und Entwicklung der Galaxie 16

17 Benjamin: IR-Sternzählung Spitzer/Glimpse (2005) GLIMPSE 4.5 µm Sternzählung zwischen 6.5 und 12.5 mag (Benjamin et al. 2005). Der Balken ist gut zu erkennen. Anschlüsse und die Namen der Arme basieren auf CO-Studien (Dame, 2008). Dargestellt sind die Ansätze von Englmaier & Gerhardt (1999) für Sagittarius, Scutum, 3 kpc Norma and Centaurus. Nur Scutum und Centaurus sind deutlich bei der Sternzählungen zu erkennen! ==>2 Arme Gerhard Weihs / Aufbau und Entwicklung der Galaxie 17

18 Popova: d Cephei stars (2005) Struktur und Anzahl der Arme nicht ermittelbar Berechnung von pattern speed und pitchwinkel Ω p = 21.7 ± 2.8 km s -1 kpc -1 i = 20.5 Innere und äußere Lindblad-Resonanzen für m=2 (2 Arme) liegen innerhalb von 5 bzw. außerhalb von 12 kpc. Gerhard Weihs / Aufbau und Entwicklung der Galaxie 18

19 Englmaier: Molekularwolken (2008) inneren Galaxie: Balken und 2-armige Spirale an den Enden 3kpc- Arme sind kaum zu sehen äußere Galaxie: 4-armige Spirale Beim Sonnenradius Teilung in zwei weitere Arme Gerhard Weihs / Aufbau und Entwicklung der Galaxie 19

20 Vallee: Kinematisches Modell (2008) Balken 2-armige Spirale + weitere 2 Arme Norma-Cygnus Sagittarius-Carina + Perseus Scutum-Crux 4 kpc Molekularring als Beginn der Spiralarme Gerhard Weihs / Aufbau und Entwicklung der Galaxie 20

21 Reid et al.: Sternformationsgebiete (2009) Messung der Parallaxe von Sternentstehungsgebieten Balken 2-armige Spirale + weitere 1 (-2) Arme Crux-Scutum Perseus + Carina-Sagittarius "outer arm" Gerhard Weihs / Aufbau und Entwicklung der Galaxie 21

22 4. Zusammenfassung Über Struktur, Namen und Anzahl der Arme gibt es nur grobe Übereinstimmungen: Ein Balken ca. (16) verdreht. An den Enden des Balken setzen 2 kurze "3 kpc-arme" an. Alternativ ein 4-kpc Ring an dem Arme ansetzen. 2 Hauptarme, die an den Enden des Balken beginnen: Sagittarius-Carina und Norma-Cygnus. Weitere Arme, die nicht am Balken ansetzen: Scutum-Crux und Perseus Orion-Arm mit Sonne = lokaler Arm, zwischen den Armen Sagittarius-Carina und Perseus. Gerhard Weihs / Aufbau und Entwicklung der Galaxie 22

23 Namensumsetzung Gerhard Weihs / Aufbau und Entwicklung der Galaxie 23

24 Künstlerisches Bild der Milchstraße 1 NASA Gerhard Weihs / Aufbau und Entwicklung der Galaxie 24

25 Künstlerisches Bild der Milchstraße 2 Vallee, 2008 Gerhard Weihs / Aufbau und Entwicklung der Galaxie 25

26 Referenzen Benjamin R.A. et al., 2005, First GLIMPSE Results on the Stellar Structure of the Galaxy,ApJ, 630, 2, pp. L149- L152. Benjamin,R.A., 2009, Spiral Arm Tangencies in the Milky Way, The Galaxy Disk in Cosmological Context, Proceedings IAU Symposium No. 254, 2008 Beuther H., 2009, Binney, J., and Tremaine, S., Galactic Dynamics, Princeton Series in Astrophysics, Bissantz N., Englmaier P., Gerhard O.E., 2003, MNRAS, 340, 949 Englmaier, P.; Pohl, M.; Bissantz, N., The Milky Way Spiral Arm Pattern, arxiv: Pohl, M.; Englmaier, P.; Bissantz, N., Three-Dimensional Distribution of Molecular Gas in the Barred Milky Way, ApJ, 677, 1, pp Georgelin Y.M., Georgelin Y.P., 1976, A&A, 49, 57 Levine E.S., Blitz L., Heiles C., 2006, ApJ, 643, 881 Lin, C.C., in Athanassoula, E. ed., Internal Kinematics and Dynamics of Galaxies, IAU Symposium No. 100, , Nakanishi H., Sofue Y., 2006, PASJ, 58, 847 Oort J.H., 1958, IAU Symposium on Radio Astronomy, IAU Symp. 9, 409 Popova M.E., Loktin, A. V.,2005, Parameters of the Spiral Structure of the Galaxy from Data on Open Star Clusters, Astronomy Letters, vol. 31, Issue 3, p Russeil, D., 2003, A&A, v.397, p Vallee J.P., 2008, AJ, 135: , Gerhard Weihs / Aufbau und Entwicklung der Galaxie 26

27 Referenzen Nakanishi H., Sofue Y., 2006, PASJ, 58, 847 Oort J.H., 1958, IAU Symposium on Radio Astronomy, IAU Symp. 9, 409 Popova M.E., Loktin, A. V.,2005, Parameters of the Spiral Structure of the Galaxy from Data on Open Star Clusters, Astronomy Letters, vol. 31, Issue 3, p Russeil, D., 2003, A&A, v.397, p , Gerhard Weihs / Aufbau und Entwicklung der Galaxie 27

28 Thanks for your Attention Gerhard Weihs / Aufbau und Entwicklung der Galaxie 28

29 Gerhard Weihs / Aufbau und Entwicklung der Galaxie 29