Struktur Spiralgalaxien. Max Camenzind Akademie HD November 2015

Transkript

1 Struktur Spiralgalaxien Max Camenzind Akademie HD November 2015

2 Morphologie Hubble s Stimmgabel E0 E6 S0 Sa Sb Sc Sd Irr Elliptizität = 10(a-b)/a SB0 < ~ 7 aus Beobachtung SBa SBb SBc SBd

3 Inhalt Komponenten einer Scheibengalaxie Rotationskurven der Scheibengalaxien und Dunkle Materie Vera Rubin Ursprung der Spiralarme: Epizykelfrequenz Dichtewellentheorie Toomre Kriterium

4 Komponenten von Scheibengalaxien

5 Scheiben Galaxie von der Unsichtbarer Halo Seite Bulge Alte Sterne Dicke Scheibe Stern-Scheibe Dünne Scheibe Gas- & Staub-Scheibe

6 arxiv: mit GTC

7 arxiv: Halo

8 Scheibe & Stellarer Halo von UGC00180 UGC = Uppsala General Catalog Gal Halo arxiv:

9 Scheibengalaxie von oben

10 Komponenten einer Scheibengalaxie

11 Parameter von Scheibengalaxien

12 Rotationskurven von Scheibengalaxien

13 durch Vera Rubin vorangetrieben

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16 Awards and honors for Vera Rubin Gold Medal of the Royal Astronomical Society, the first woman to be honored after Caroline Herschel in Weizmann Women & Science Award Gruber International Cosmology Prize Bruce Medal of the Astronomical Society of the Pacific James Craig Watson Medal of the National Academy of Sciences Richtmyer Memorial Award Dickson Prize for Science National Medal of Science Adler Planetarium Lifetime Achievement Award Member of the US National Academy of Sciences Member of the Pontifical Academy of Sciences Member of the American Philosophical Society Henry Norris Russell Lectureship before the American Astronomical Society

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18 Rotation Andromeda Vera Rubin & Kent Ford 1970

19 Rotation Milchstraße / Sofue 2009 Bulge NFW Halo Scheibe

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21 Masse von Scheibengalaxien Masse übertrifft bei weitem die sichtbare Masse bestärkt die Hypothese der Dunklen Materie Masse muss im Halo vorhanden sein Halo bis zu 80 kpc nachgewiesen!

22 Rotationskurve von Messier 33

23 Halo Dunkler Materie

24 Wo sind die vielen Dunklen Halos?

25 Simulation der Galaxienbildung 1 Mio. Halos 1 Mio. Lichtjahre

26 2 Dichteprofile des DM Halos Navarro, Frenk & White: Core-Profil:

27 Gravitation GM(R)/R² DM Halos W²(R) = GM(R)/R³ ~ 1/R² V² Rot (R) = GM(R)/R ~ const

28 Rotationskurve in DM Halos

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30 Scheibengalaxien Teil 2

31 Skizze von M 51 / Earl Rosse 1845

32 Was sind Spiral- Arme?

33 Spiral arms

34 Das Windungsproblem der Scheibengalaxien

35 Kinematik Bertil Lindblad 1925 Bereits 1925 erkannte der schwedische Astronom Bertil Lindblad, dass unsere Milchstraße rotiert. Er erkannte weiterhin, dass die Winkelgeschwindigkeit dieser Rotation nach außen hin abnimmt. Damit war klar, dass die Spiralarme keine bloße statische Anhäufung von Sternen und Staub sein konnten, denn infolge der differentiellen Rotation der Milchstraße würden sich diese in kurzer Zeit auflösen (sog. Winding Problem). Als Lösung dieses Problems entwickelte er eine erste Version der Dichtewellentheorie. Grundlage ist die Annahme, dass im Gravitationsfeld einer Galaxie eine Dichtewelle mit konstanter Geschwindigkeit umläuft. Diese Winkelgeschwindigkeit stimmt im allgemeinen nicht mit der Rotationsgeschwindigkeit des restlichen Systems überein. Diese Ansätze wurden 1960 Jahren von den chinesischen Astronomen C.C. Lin und Frank Shu weiterentwickelt

36 Lösung: Dichtewellentheorie Aufgrund der differenziellen Rotation müsste sich die Spiralstruktur eigentlich schon nach wenigen Drehungen der Galaxie aufgelöst haben. Die Theorie geht deshalb davon aus, dass die Spiralarme ein Wellenphänomen sind und ständig neu gebildet werden. Die Dichtewellen durchlaufen die Materie der Galaxie, wobei die Spiralarme die Gebiete maximaler Dichte darstellen.

37 Im Milchstraßensystem rotiert die Dichtewelle beispielsweise mit einer Geschwindigkeit von ca. 13,5 Kilometer pro Sekunde pro Kiloparsec, was der halben Geschwindigkeit der Rotation der Sterne entspricht. Die beobachtbaren Spiralarme entstehen, nachdem das Gas von der konkaven Seite her in die Dichtewelle einströmt und verdichtet wird. Gebiete mit bereits hoher Gasdichte, wie z. B. Molekülwolken, werden dadurch instabil und beginnen zu kollabieren, sodass neue Sternhaufen entstehen, die als H-II- Gebiete und OB-Assoziationen (Sternassoziationen) hinter der Dichtewelle sichtbar werden.

38 Epizykelfrequenz V rot = const W ~ 1/R k² = 2 W² Bahnen der Sterne werden elliptisch und sind nicht geschlossen Rosettenbahnen

39 Lindblad`s kinematische Wellen waren ein erster Ansatz zur Lösung des Windungsproblems oszillierende Sternbahnen in Form von Epizyklen.

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41 Stabilität einer dünnen Scheibe C.C. Lin & Frank Shu 1964 Dichtewellen Wir stören die dünne Scheibe: Maxima liegen auf der Kurve: Zu fester Zeit t Spirale (falls m > 0):

42 Störungstheorie: Jeansgleichungen Gleichgewichtsverteilung der Sterne Störung der Phasenraumverteilung der Sterne

43 Achsensymmetrische Störungen Dispersionsrelation Stabilisierung Destabil. Achsensymmetrische Störung (Ringe) m = 0: w = 0 2

44 Toomre-Parameter einer Scheibe Falls Q > 1 Scheibe achsensymmetrisch stabil Falls Q < 1 Scheibe instabil gegen Ringbildung Selbstgravitation gewinnt Q S = 1,2 Galaxis stabil!

45 Toomre-Stabilität einer Scheibe w² > 0 stabil Rotation stabilisiert Druck stabilisiert w² = 0 metastabil w² < 0 instabil

46 Stabilität einer 2-Kompon. Scheibe S g /S * = 0,01; 0,07; 0,10; 0,18

47 Instabilität einer Scheibe: Q = 0,63 Rotation bei 3 Skalenradien

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49 Toomre-Parameter Milchstraße Epizykelfrequenz: k = 32 km/s/kpc Stellare Flächendichte: S = 60 M S /pc² Geschwindigkeitsdispersion: c S = s = 30 km/s Toomre-Parameter Sonnenumgebung: Q S = 1,2 Milchstraße stabil gegen Ringbildung

50 Ringbildung bei jungen Galaxien

51 Ringbildung bei jungen Galaxien

52 Klumpenbildung jungen Galaxien

53 Resonanzbedingung: W S = W(R) +- k(r)/m W : Rotation der Sterne CR: Korotation ILR: innere Lindblad Res OLR: äußere Lindblad Res Welle kann nur hier exist! Sterne laufen schneller als Spiralwelle Sterne laufen langsamer als Spiralwelle Camenzind 2014

54 Resonanz-Radien Milchstraße

55 Windungsproblem & Dichtewellen

56 Spiralwelle wie Stau auf Autobahn Sterne laufen von hinten in den Stau und vorne wieder weg

57 Spiralarme Milchstraße

58 Was treibt die Spiralen an?

59 Zweiarmige Spiralen durch Begleiter

60 Saturn-Ringe 99.9% pure water ice 3x10 19 kg 5-30 m thick Cassini radio image < 5 cm large > 5 cm

61 Verdichtungswellen in Saturn-Ringen / Cassini

62 Spiral-Struktur 2 Arten von Spiralarmen: Anzahl Arme = m, meisten Spiralen m=2, d.h. zweifache Symmetrie ( Grand Design ) Arm-Orientierung: Vorlaufend Rotation nachlaufend

63 HII-Regionen bilden sich in Spiralarmen

64 Alte Sterne liegen homogen zwischen Armen

65 Spiralarme sind nur Patterns Nach der Dichtewellentheorie sind Spiralarme Verdichtungen, die spiralförmig durch die Galaxie laufen. Zwei-armige Galaxien sind eher selten. Die verstärkte Gravitation in den Spiralarmen führt zu verstärkter Sternbildung in den Armen. Kompression in Molekülwolken Kollaps und damit Sternbildung. In der Milchstraße rotiert diese Struktur einmal in 500 Mio. Jahren um das Zentrum. Ringbildung (achsensymmetrische Instabilität) kommt vor allem in jungen gasreichen Galaxien vor.

66 Zweiarmige Spirale M74

67 Ringbildung an der inneren Lindblad-Reson

68 Flocculante Spirale