Galaxien - Bausteine des Universums Max Camenzind TUDA @ SS2011
Der Virgo-Haufen 5 x 3 Grad M 88 M 86 M 84 M 91 NGC 4477 NGC 4473 NGC 4438/Augen M 87 M 90 Image: Rogelio Bernal Andreo 16 Mpc entfernt M 89
Der Virgo-Haufen M 84 NGC 4388 M 86 Markarian s Augen 1,5 x Vollmond
Coma-Haufen - Bausteine des Universums 100 Mpc entfernt
Galaxien - Bausteine des Universums
Was sind Galaxien? Sternsysteme: Kugelsternhaufen (einfache Sternsysteme) Zwerggalaxien Ellipsen & Scheibengalaxien Massen: (10 6 10 13 ) M S Morphologie der Galaxien Hubble Sequenz, moderne Klassifikationen. Leuchtkraftfunktion der Galaxien. Beobachtbare Parameter Fundamental- Ebene der Galaxien. Scheibengalaxien und Dunkle Materie Schwarze Löcher in Galaxienzentren
M10 - Kugelsternhaufen (GC) > 100.000 Sterne
47 Tuc - Kugelsternhaufen Aufnahme: 20 Cassegrain / 4 kpc entfernt
Radiale Profile Kugelsternhaufen Isotherme Sphären Core ~ r -2 Core- Radius R c
Die Flächenhelligkeit I V(R) 10 mag /sec 2 R 2 Dominante Massenverteilung R 8 log R [min] Gezeitenradius Core-Radius: Flächenhelligkeit (r c) 0.5 (r 0)
Farben- Helligkeits- Diagramm (CMD) der GCs Wichtig für Kosmologie Altersbestimmung
Warum sind Kugelsternhaufen stabil? Gravitation der Sterne muss durch Druck ausgeglichen werden. Stochastische Bewegung der Sterne erzeugt einen Druck: P = r s² (s. Jeans-Glg) Sterndichte aus Flächenhelligkeit Isotherme Modelle Geschwindigkeitsdispersion der Sterne ~ 10-15 km/s aus Linienbreite
Isotherme Sphären Hydrostatisches Gleichgewicht: Nochmaliges ableiten Asymptotisch r >> R c :
Relaxation von Sternsystemen Frage: Auf welcher Zeitskala erleiden Sterne im System signifikante Stöße?
Anzahl Wechselwirkungen im System mit Radius R und Anzahl Sterne N aus W keit P für Stoß mit 1 Stern:
Mittlere Geschwindigkeitsänderungen heben sich auf, jedoch nicht die Varianz: Verwende Virial-Satz: 2T = -V pot mittlere Geschw. v; große Ablenkungen selten!
Mittlere Ablenkung für einen Durchgang durchs System: Relaxation erfolgt, falls d.h. wir benötigen N relax Sterndurchgänge N relax = N / 8 ln(n) Relaxationszeit definiert als
Abschätzung Relaxationszeit Mittelung über Maxwell-Verteilung
Relaxationszeit von Sternsystemen
Galaxien komplexe Sternsysteme Scheibe Elliptisches Sternsystem
Elliptische Galaxien quasi-rund
Elliptische Galaxien: Ähnlich zu Kugelstern- Haufen weisen auch Core-Halo Struktur auf jedoch nicht isotherme Sternverteilung Dichte fällt sehr schnell ab.
M 87 Zentralgalaxie Virgo-Haufen Ellipse E1 1000 Mia M S
Spektrum einer E Galaxie dominiert durch massearme Sterne kein UV keine A, B, O Sterne TiO Banden M Zwerge Nicht viel Emission im Blauen!
Helligkeitsprofile R 1/4 Gesetz, n=4 (de Vaucouleurs)
2 Typen von E Galaxien: Core und Cuspy Ellipsen Core- Radius R c Core
Andromeda Galaxie M 31 typische Scheibengalaxie ~ 100 Mrd. Sterne
Andromeda / Spitzer Staub
Scheiben rotieren maximal geometrisch dünn aus 21 cm H Masse rotiert von uns weg Bulge Sphäroid rotiert auf uns zu
21 cm Wasserstoff-Linie
Vera Rubin
M 31 Profil & Rotation konstant! R 1/4 Bulge Expo Scheibe
Sombrero M 104 [HST] S0 = Scheibe + Ellipse
Staub Sterne
NGC 1700 S0 Galaxie Seitenaufsicht
Galaxien Galerie / Zolt Frei (Princeton)
Die Hubble-Sequenz 1926 1923 entdeckt Hubble (1889-1953), dass der Spiralnebel Andromeda nicht zu unserer Galaxis gehört und eine eigene Galaxie bildet (durch Vermessen von Cepheiden). Um die neu entdeckten Objekte klassifizieren zu können, entwickelt Hubble 1926 die bis heute bekannte Hubble-Sequenz. Sie ist heute noch gültig.
Red Sequence Blue Sequence
Die Hubble-Sequenz 1 Prinzipiell 3 große Kategorien: Elliptische Galaxien rotationssymmetrischer Gestalt E0 E7 E0 kreis rund; E7 stark elliptisch Spiralgalaxien mit symmetrischen Spiralarmen werden weiter unterschieden in: Sa, Sb, Sc, Sm mit zentraler Verdichtung; SBa, SBb, SBc, SBm mit Balken ( barred ) Irreguläre Galaxien Irr ohne Symmetrien (Magellansche Wolken)
Die Hubble-Sequenz 2 Hubble Sequenz wurde vielfach verfeinert und angepasst. Hubble selbst versuchte 1936 den Übergang von E zu S flüssiger zu gestalten und fügte die Linsengalaxien S0 ( S Null ) hinzu. die Sd, Sm, Im, SBd, SBm, IBm wurden von G. de Vaucouleurs (1918-1995) hinzugefügt. [ Sandage (geb. 1926) führte im Hubble Atlas of Galaxies einen Suffix für den Ursprung der Spiralarme ein; s - Zentralgebiet; r - extra Ring ]
Die Hubble-Sequenz 3 Nachteile abhängig von Projektionseffekten. wird von persönlicher Überzeugung des Beobachters beeinflusst. z.b. LMC erscheint aufgrund der vielen, von Gaswolken umgebenen blauen Sterne besonders unregelmäßig. die Erweiterung um S0 passt nicht mit Beobachtungen der Helligkeit überein.
Hubble Sequenz offene Fragen In wie weit kann die Hubble-Sequenz als Entwicklungsdiagramm verstanden werden? nein!!!! Durch welche Parameter kann die Hubble- Sequenz charakterisiert und damit unabhängig vom Betrachter werden? Gibt es alternative Klassifikationen? - ja
Beobachtete Eigenschaften verschiedener Galaxien in elliptischen Galaxien beobachtet man: rote, alte Sternenpopulationen wenig Gas und Staub (mit sehr hohen Temperaturen ~ 10 7 K, ionisiert, Röntgengas) in Spiralgalaxien beobachtet man: je später, desto mehr junge, massive Sterne im Zentrum röter (also älter) als in den Spiralarmen bei niedrigerem Gasgehalt
Komponenten einer Galaxie
Die Komponenten einer Scheiben-Galaxie Halo Dunkler Materie und Sterne Stellare Scheibe Bulge Gas- Scheibe Lage der Sonne Typische Distanzen
Konstante Rotation ist generisch
Nukleus Bulge Scheibe Halo Masse einer Scheibengalaxie Halo aus Dunkler Materie M(<r) = V² Rot r / G
Halo-Modelle aus Rotations-Kurven von Stern- oder Gasscheiben Dark Matter Halo: Welche Form? Isotherme Modelle ergeben Rotationskurve Simulationen NFW Profile 2 0 ) / ( 1 ) ( r c r r r r c c c halo r r r r r G r v arctan 1 4 ) ( 2 r 0
CDM Simulationen: NFW-Profile Detaillierte Simulationen von CDM Halos finden, dass die Dichteprofile steeply cusped (Kuspen) sind, mit Massendichte im Zentralbereich des Halos ~ r -a, a=1 (Navarro, Frenk & White 1996, 1997) NFW Profil: a=1 r( r) ( r / r s r )[1 ( r / r s s 2 )] Allgemeine Form r( r) s a a ( r / r ) [1 ( / )] 3 s r rs Dunkle Materie (CDM) bildet Halos auf allen Skalen von Mondmasse bis zu 10 15 Sonnen. von Zwerggalaxien bis Galaxienhaufen? r
Morphologie - Sb Galaxien
Grand Design Spirale (Sc) 2 Spiralarme
Morphologie - SB Galaxien - SBa
Morphologie - SBb Galaxien
NGC 1300 HST Balkenspirale
Morphologie - SBc Galaxien
Morphologie - Irreguläre Galaxien LMC / SMC
Panorama Milchstraße & LMC & SMC ESO Paranal
Zwerg-Galaxien Geringe Leuchtkraft: 10 6 10 9 L Geringe Masse: 10 7 10 10 M Geringe Ausdehnung, ~ einige kpc Geringe Flächenhelligkeit schwierig mit Teleskopen zu finden! Sind in der Anzahl jedoch dominant! Dominieren die Leuchtkraftfunktion der Galaxien in Haufen.
Zwerg-Galaxien Typen Verschiedene Typen von Zwerg-Galaxien: Zwerg-Ellipsen (de): Note that these are structurally very different from luminous E s. Gas-poor, old stellar population. Note that many de s have nuclei (de,n). Zwerg-Sphäroide (dsph): Gas-arme, diffuse Systeme. Low luminosity (low surface brightness end of de s). Zwerg-Irreguläre (dirr): Extreme end of late type spirals. Active, on-going star-formation but low surface brightness (like dsph s). Gas-rich. Note that there are no dwarf spirals!! Gibt es Verwandtschaften zwischen de s and dirr s??
Treten als Begleiter auf M31: Sb M32 (ce): kompakte Ellipse NGC205 (de)
Leo I - dsph
Pegasus - dsph
Sagittarius dwarf, shredded by the Milky Way Majewski et al. 2003
Canis Major, shredded by the Milky Way Ibata et al. 2003, nearest galaxy to MW, just discovered!
Dichtefluktuationen im Frühen Universum Galaxienbildung Galaxien entstehen aus primordialen Dichtefluktuationen, die kurz nach dem Big Bang entstehen, in der Inflation anwachsen und im CMB sichtbar. Diese Dichtefluktuationen bilden Filamente, Galaxien entstehen in Knoten längs den Filamenten.
Zur Bildung einer Spiralgalaxie Gas hat viel Drehimpuls ~ Sternbildung CDM Halo
Elliptische Galaxien aus Merger
Bildung nur via Mergers? In Galaxienhaufen ist die Kollisionswahrscheinlichkeit nicht gering. Dadurch werden Galaxien gestört und können sogar mergen. Mergers führen häufig zu giant elliptischen Galaxien (sog. cd) im Zentrum von reichen Galaxienhaufen (Virgo, Coma). Durch Merging von S-Galaxien entstehen E s. Werden alle E s durch Merger gebildet? wohl kaum!
Spiralen begegnen sich
Merger - Antennen Galaxien
Merger - Simulation
Merger Arp 273 d = 100 Mpc
Stellare Geburtsrate in Galaxien E Sb
Stellare Geburtsrate in Galaxien da E s keine Scheiben und alte Sternen- Populationen haben, muss Gas fast vollständig während des Kollaps (t c 10 9 Jahre) aufgebraucht worden sein. allein mit dieser einen Annahme folgt, dass die IBR (= interstellar birth rate ) in den ersten Jahren, je nach Annahme der Zeit t c, bis zu 50 mal größer als die aktuelle IBR ist.
Stellare Geburtsrate in Galaxien anders bei SO Galaxien da Sterne jünger, muss Gas übrig geblieben sein, aus dem sich Sterne bilden konnten. heute keine Sternentstehung, kaum Gas. da sich dichter Bulge im Zentrum bilden konnte, liegt die Vermutung nahe, dass SFR für t< t c nur unwesentlich geringer war als bei E. für t> t c muss SFR höher als bei den E-Typen gelegen haben, das restliche Gas wurde innherhalb von wenigen 10 9 Jahren verbraucht.
Stellare Geburtsrate in Galaxien
Verteilung Flächenhelligkeit DWARFS GIANTS
Leuchtkraftfunktion Feld dominiert von Spiralgalaxien und dirr Haufen viel mehr E/S0 Galaxien, schwache de, viel mehr Zwerggalaxien Damit treten in Haufen häufiger Merger auf. Bingelli (1988)
Log( (L)) Leuchtkraftfunktion der Galaxien Schechter Funktion: gilt allgemein für Galaxien Power-Law slope a * Exponential Cut-off L * Log (Luminosity) d L a L * exp L * L L * dl L *
Leuchtkraftfunktion der Galaxien im SDSS? Masse Dunkle Materie: 10 12 M S 10 10 M S 10 8 M S 10 7 M S
Fundamental-Ebene der Galaxien 3 Messbare Größen: (i) Effektiv-Radius R e (Halblichtradius) oder Core-Radius R c (ii) Zentrale Flächenhelligkeit m e (iii) Geschwindigkeitsdispersion s Frage: Gibt es Korrelationen? Fundamental-Ebene der Galaxien
Kormendy Relation aus SDSS
Galaxien-Sequenzen Fundamental-Ebene
Eigenschaften der FP Sequenz der Kugelsternhaufen liegen V- förmig zur Sequenz der Elliptischen Galaxien (E s). Bulges bilden die Fortsetzung der E s. Effektiv-Radius der E s und S0 s korreliert mit der Geschwindigkeitsdispersion und der zentralen Flächenhelligkeit (Kormendy Relation) muß erklärt werden log(r e ) = 1,20 log(s) + 0,32 log(m e ) 8,70
Masse-Leuchtkraft Verhältnis Massereiche Ellipsen durch M-Zwerge dominiert
100 Milliarden Schwarze Löcher in Galaxienzentren Jede Galaxie beherbergt ein Schwarzes Loch in ihrem Zentrum ~ 0,2% der Bulge-Masse. Unsere Milchstraße: speziell 4,3 Mio Sonnenmassen; Andromeda: 100 Mio. Sonnenmassen; Messier 32: 2,5 Mio. Sonnenmassen; Messier 87: 6 Mrd. Sonnenmassen; Quasare: weit entfernte aktive Galaxien 100 Mio. 10 Mrd. Sonnenmassen.
Sombrero und das SL 1 Mrd. Sonnenmassen In ~ 50 benachbarten Galaxien Massen der SL vermessen, jedoch nicht den Spin a: Massen von 1 Mio 10 Mrd Sonnen
M H ~ s 4 Magorrian Relation Camenzind 2007
Zusammenfassung Kugelsternhaufen (GCs) sind die einfachsten Sternsysteme, ~100.000 Sterne, isotherme Dichteverteilung, kosmologisch wichtig. Relaxationszeit entscheidet über stoß-dominiert vs stoßfrei; GCs nicht stoßfrei, E s sind stoßfrei! Elliptische Galaxien ähnlich zu GCs, jedoch stoßfrei, haben devaucouleurs Helligkeitsverteilung. Hubble-Sequenz immer noch gültig, jedoch im frühen Universum viele Zwerggalaxien und Irreguläre. Leuchtkraftfunktion ist Schechter-artig, nicht global globale LF noch nicht bekannt.
Gunn-Filter Profile
Galaxien Farb-Sequenzen