Astronomie für Nicht-Physiker Vorlesungsplan 18.4. Astronomie heute: Just, Fendt 25.4. Sonne, Erde, Mond: Fohlmeister 2.5. Das Planetensystem: Fohlmeister 16.5. Teleskope, Bilder, Daten: Fendt 23.5. Geschichte der Astronomie: Just 6.6. Sterne - Zustandsgrößen: Fendt 13.6. Sterne - Entwicklung: Fendt 20.6. Die Milchstraße: Just 27.6. Astrochemie und Leben: Fendt 4.7. Galaxien: Just 11.7. Aktive Galaxien, Quasare und Schwarze Löcher: Fendt 18.7. Urknall und Expansion des Universums: Just 25.7. Weltmodelle: Just 1.8. Besuch MPIA/LSW und HdA: Fendt 1
Inhalt Normale Galaxien Typen und Klassifikation Eigenschaften Verteilung von Galaxien Lokale Gruppe Feldgalaxien Paare, Gruppen, Haufen, kosmisches Netz 2
Spiralgalaxien mit und ohne Balken 3
Spiralgalaxien Astronomie für von Nicht-Physiker: oben oder von der Kante gesehen 4
Elliptische Galaxien: M89 NGC 1316, Fornax M87, Virgo M59 5
Zwerggalaxien: LMC+SMC M32 Pegasus 6
Wechselwirkende (kollidierende, verschmelzende) Galaxien 7
Galaxienhaufen mit kollidierenden Galaxien 8
Virgo Galaxienhaufen Normale + sehr lange Belichtung (in Falschfarben) 9
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, 1994 10
Klassifikation 11
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
Hubble-Klassifikation: Beispiele 13
Hubble-Klassifikation: Beispiele 14
Klassifikation von Galaxien Zwerggalaxien Zwergellipsen Zwergshäroidale Zwergirreguläre Blaue kompakte Zwerge hell.... leer schwach 15
Galaxien in anderen Wellenlängen Röntgen UV optisch NIR (2mm) optisch IR (8mm) Thermisches IR (24mm) HI (21cm) 16
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=5 10 5 M Sonne Dynamische Masse m dyn ~ 10 8 M Sonne Dominiert durch Dunkle Materie (kein Kugel-Sternhaufen) 17
Eigenschaften von Galaxien Helligkeit/Farbe Hellste Galaxien: rot Rote Galaxien: elliptisch Blaue Galaxien: Spiralgalaxien Alter/Entwicklung: nächste Stunde 18
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 0 1.4 I e -0.85 19
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
Dunkle Materie Rotationskurven Bulge Scheibe (Sterne und Gas) DM Halo DM Halo Scheibe DM Halo Scheibe: Sterne Gas 21
Galaxienverteilung Galaxien sind nicht zufällig im Raum verteilt Lokal Feldgalaxien Paare Gruppen Haufen Großräumig Das kosmische Netz Global Homogenes und isotropes Universum 22
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
Zwerggalaxien Lokale Gruppe Massen 10 7-10 10 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
Lokale Gruppe Die meisten Zwerggalaxien sind Begleiter von Milchstraße oder M31 25
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 ~ 21 000 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
Feldgalaxien Gleichmäßig/zufällig im Raum verteilt Gravitativ ungebunden zu anderen Galaxien Mischung: Spiralen/Elliptische Galaxien 1:1 Große Galaxien sind von Zwerggalaxien umgeben 27
Galaxienpaare Schwer zu identifizieren, wenn nicht wechselwirkend NGC 1409, 1410 Projiziert oder gebunden? M51 28
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
Galaxienhaufen Größte gravitativ gebundene Systeme im Universum ~100 1000 Galaxien < 30% Spiralgalaxien Virgohaufen Am nähesten: D~17Mpc Radius ~1Mpc; Unterstrukturen M87 im Zentrum des Virgohaufens 30
Comahaufen Galaxienhaufen 31
Galaxienhaufen Galaxienkollision in Abell 1185 32
Galaxienhaufen Abell 2218 mit Bögen=Gravitationslinsenbilder von Hintergrundgalaxien 33
Galaxienhaufen Geschwindigkeitsstreuung σ~1000km/s 40% der Haufen haben heißen Röntgenhalo Heißes Gas mit T~10 7-10 8 K Gasmasse ~ 5x(stellare Masse) Comahaufen: D~100Mpc Ø~ 3 am Himmel Links: optisches Bild, rechts: Röntgenbild 34
Galaxienhaufen in großer Entfernung / Rotverschiebung Zentrum eines entfernten Haufens Haufen bei großer Rotverschiebung D~2.5Gpc 35
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 0 500 km/s/mpc 36
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
Supernovae Typ 1a Klassifikation Lichtkurven Spektren 38
Supernovae Typ 1a Dopplereffekt Fluchtgeschwindigkeit + Radialgeschwindigkeit Expansion der Hülle: v = 10000-15000 km/s 39
Supernovae Typ 1a Leuchtkraftkorrekturen K-Korrektur Extinktion + Rötung 0, 0.1, 0.5, 1.0 =z 40
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
Supernovae Typ 1a SDSS II: Supernova Survey: Beispiele Src.: Zheng et al. 2008 AJ 135, 1766 42
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
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
Kosmisches Netz Neue Durchmusterungen (2dF, SDSS surveys) Schwammstruktur gleichmäßig im Raum (in alle Richtungen und Entfernungen) SDSS: Tegmark et al. 2003 45
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
Astronomie für Nicht-Physiker Vorlesungsplan 18.4. Astronomie heute: Just, Fendt 25.4. Sonne, Erde, Mond: Fohlmeister 2.5. Das Planetensystem: Fohlmeister 16.5. Teleskope, Bilder, Daten: Fendt 23.5. Geschichte der Astronomie: Just 6.6. Sterne - Zustandsgrößen: Fendt 13.6. Sterne - Entwicklung: Fendt 20.6. Die Milchstraße: Just 27.6. Astrochemie und Leben: Fendt 4.7. Galaxien: Just 11.7. Aktive Galaxien, Quasare und Schwarze Löcher: Fendt 18.7. Urknall und Expansion des Universums: Just 25.7. Weltmodelle: Just 1.8. Besuch MPIA/LSW und HdA: Fendt 47