Astrophysik II Schwerpunkt: Galaxien und Kosmologie Bachelor Physik mit (Nebenfach) Astronomie Wintersemester 2017/18 Dr. Benjamin Moster Vorlesung 1: Überblick und unsere Milchstraße 1
Organisatorisches Vorlesungsfolien und -materialien sind hier zu finden: www.usm.lmu.de/people/moster/teaching/a2017.html Übungen werden geleitet von Ulrich Steinwandel und Joseph O Leary Ort / Zeit der Übung: Vorlesungssaal der Sternwarte, Mittwoch 10:00 Die erste Übung findet nächste Woche (25.10.2017) statt In den Übungen: 1) Kurzvorträge zu astronomischen Objekten (2er Gruppen) 2) Vorrechnen von Übungsblättern Benotung: - Note basiert hauptsächlich auf dem Kurzvortrag (incl. Fragen dazu) - Notenbonus für das Vorrechnen von Übungsaufgaben 2 Astrophysik II (Bachelor) 18.10.2017
Literatur Einführungen: - Unsöld, Baschek: Der neue Kosmos, Springer Spektrum (2015) - Weigert, Wendker, Wisotzki: Astronomie und Astrophysik, Wiley (2016) - Jones, Lambourne, Serjeant: Galaxies and Cosmology, Cambridge University Press (2015) Weiterführend: - Schneider: Extragalaktische Astronomie und Kosmologie, Springer (2008) - Maoz: Astrophysics in a Nutshell, Princeton (2016) - Mo, van den Bosch, White: Galaxy formation and evolution, Cambridge University Press (2010) 3 Astrophysik II (Bachelor) 18.10.2017
Heutige Vorlesung Eine kurze Geschichte des Universums Inflation und die ersten Minuten Die kosmische Hintergrundstrahlung und Strukturbildung Galaxien-, Stern- und Planetenentstehung Unsere eigene Galaxie: Die Milchstraße Die Größe der Milchstraße Die Bestandteile der Milchstraße Die Masse der Milchstraße Aus was besteht der Halo der Milchstraße? MACHOs oder WIMPs: Das LMC Mikrolinsen Experiment Modifizierte Gravitation 4 Astrophysik II (Bachelor) 18.10.2017
Was wir über unser Universum wissen Seit den 1920ern (Hubble) wissen wir, dass sich Galaxien (scheinbar) von uns wegbewegen Das Universum expandiert Urknallmodell: zu einem früheren Zeitpunkt war die Entfernung zwischen Objekten sehr klein Das Universum hat ein finites Alter: 13.8 Gyr Das Universum expandiert seit dem Urknall Das frühe Universum war heiß und dicht Die Temperatur und Dichte sind (fast) überall gleich (auf großen Skalen) Dichte und Temperatur fällt bei Expansion 5 Astrophysik II (Bachelor) 18.10.2017
Eine kurze Geschichte des Universums 6 Astrophysik II (Bachelor) 18.10.2017
Inflation Bei t = 10-36 s: Energie zu niedrig für GUT Trennung starke u. elektroschwache Kraft Phasenübergang hohe Energiedichte Inflationäre Expansion (mindestens 10 27 -fach) Aufblähen von Quantenfluktuationen auf makroskopische Level Dichteschwankung 7 Astrophysik II (Bachelor) 18.10.2017
Die ersten Minuten 10-12 s: Trennung zwischen elektromagnetischer und schwacher Kraft 10-5 s: Ausfrieren von Quarks in Hadronen (Protonen u. Neutronen) 0.7s: Neutrinos entkoppeln Anzahl Neutronen/Protonen = 0.22 ~100s: Nucleosynthese Fusion Deuterium, Helium, Lithium Massenanteil von Helium: 24% 8 Astrophysik II (Bachelor) 18.10.2017
Die kosmische Hintergrundstrahlung (CMB) 400.000yr: Entkoppelung von Photonen und Materie Universum wird neutral Rekombination Dichteschwankungen werden in der Hintergrundstrahlung eingefroren (10-5 ) CMB definiert ein Bezugssystem (mitbewegt) 9 Astrophysik II (Bachelor) 18.10.2017
Die kosmische Hintergrundstrahlung (CMB) 400.000yr: Entkoppelung von Photonen und Materie Universum wird neutral Rekombination Dichteschwankungen werden in der Hintergrundstrahlung eingefroren (10-5) CMB definiert ein Bezugssystem (mitbewegt) Wie groß war das Universum nach 400.000yr? Warum ist die Dichte und Temperatur überall (fast) gleich? Bewegt sich die Erde gegenüber dem CMB Bezugssystem? 9 Astrophysik II (Bachelor) 18.10.2017
Kosmische Strukturbildung Dichtefluktuationen kollabieren wenn Gravitationskräfte > Druckkräfte Nach Rekombination fällt Druck durch Interaktion von Photonen mit freien Elektronen weg nur thermaler Druck Fluktuationen ab 105 M können kollabieren 10 Astrophysik II (Bachelor) 18.10.2017
Galaxienentstehung In den kollabierten Strukturen wird das Gas so dicht, dass sich die ersten Sterne bilden Gas behält Drehimpuls beim Kollaps Scheibengalaxien entstehen Supernovae erhitzen das Gas wieder selbstregulierendes Gleichgewicht 11 Astrophysik II (Bachelor) 18.10.2017
Sternentstehung Sterne sind auf einer Hauptreihe im Temperatur - Helligkeits-Diagram angeordnet Heiße, massive Sterne sterben zuerst (d.h. verbrennen Wasserstoff am schnellsten) Endstadium von Sternen hängt von deren Masse ab: Weißer Zwerg, Neutronenstern, Schwarzes Loch 12 Astrophysik II (Bachelor) 18.10.2017
Planetenentstehung 13 Planeten entstehen in Akkretionsscheiben um junge Sterne Staubteilchen kollidieren und bilden Klumpen mit ~200m, diese kollidieren zu Planetesimalen Planetesimale (~10km) wachsen über Millionen Jahre mit ~cm/yr Astrophysik II (Bachelor) 18.10.2017
Heutige Vorlesung Eine kurze Geschichte des Universums Inflation und die ersten Minuten Die kosmische Hintergrundstrahlung und Strukturbildung Galaxien-, Stern- und Planetenentstehung Unsere eigene Galaxie: Die Milchstraße Die Größe der Milchstraße Die Bestandteile der Milchstraße Die Masse der Milchstraße Aus was besteht der Halo der Milchstraße? MACHOs oder WIMPs: Das LMC Mikrolinsen Experiment Modifizierte Gravitation 14 Astrophysik II (Bachelor) 18.10.2017
Licht der Milchstraße kommt hauptsächlich von Sternen (bekannt seit Galilei um 1610) Unsere Milchstraße Verteilung der Sterne erst seit 20. Jahrhundert bekannt Licht im optischen Bereich wird stark von Staubwolken absorbiert infrarot Die meisten Sterne (auch Sonne) sind in der flachen Scheibe (ca. 3x10 10 M ) Im Zentrum nimmt die Sterndichte zu. Der Bulge hat ca. 1x10 10 M Um die Scheibe herum ist der stellare Halo (10 9 M ) mit 1% Kugelsternhaufen Halo Bulge Scheibe (Sterne, Gas, Staub) Optisch mehr? Infrarot 15 Astrophysik II (Bachelor) 18.10.2017
Die Größe der Milchstraße Durchmesser der Milchstraße ist ca. 100.000 Lichtjahre Übliche Längeneinheit auf galaktischen Skalen: 1 pc = 3.26 Lichtjahr Damit ist 1 pc = 3.09 x 10 16 m Radius der stellaren Scheibe: 15 kpc Radius der Gasscheibe: 25 kpc Entfernung der Sonne vom Zentrum: 8.5 kpc Dicke der Scheibe: ca. 1 kpc Sterne im stellaren Halo bis ca. 30 kpc Radius des Bulges: 3 kpc 16 Astrophysik II (Bachelor) 18.10.2017
Die Größe der Milchstraße Durchmesser der Milchstraße ist ca. 100.000 Lichtjahre Übliche Längeneinheit auf galaktischen Skalen: 1 pc = 3.26 Lichtjahr Damit ist 1 pc = 3.09 x 10 16 m Radius Wenn der sich stellaren die Sonne Scheibe: mit 200 15 km/s kpc auf einer Kreisbahn um das Zentrum der Milchstraße bewegt, wie lange braucht sie für eine Radius der Gasscheibe: Umrundung 25 kpc in Sekunden bzw. Jahren? Entfernung der Sonne vom Zentrum: 8.5 kpc Dicke der Bei Scheibe: r = 8.5 ca. kpc 1 ist kpc der Umfang d = 2πr = 53.4 kpc Sterne Damit im stellaren ist d = 53.4 Halo x 10 3 x 3.09 x 10 13 km = 1.65 x 10 18 km bis Umlaufzeit ca. 30 kpc t = d/v = 1.65 x 10 18 km / (200 km/s) = 8.25 x 10 15 s Mit 1 yr = 60 x 60 x 24 x 365.25 s = 3.16 x 10 7 s Radius des Damit Bulges: ist t = 3 8.25 kpc x 10 15 / 3.16 x 10 7 ) yr = 2.6 x 10 8 yr 16 Astrophysik II (Bachelor) 18.10.2017
Bestandteile der Milchstraße: Sterne Sterne unterscheiden sich in Masse, Alter und chemische Zusammensetzung Unterschiede in z.b. Leuchtkraft und Temperatur Die meisten Sterne haben geringere Masse als die Sonne Haben die Sterne in den verschiedenen Komponenten (Scheibe, Bulge, Halo) die gleichen Eigenschaften? Nein! Bulge und Halo haben deutlich ältere Populationen als die Scheibe In Astronomie: H, He, Metalle Maß für chemische Zusammensetzung: Metallizität Z (Massenanteil v. Metallen) Population I: junge Sterne mit hoher Metallizität, meist in Scheibe Population II: alte Sterne mit niedriger Metalliziät, Bulge & Halo, ohne Gas 17 Astrophysik II (Bachelor) 18.10.2017
Bestandteile der Milchstraße: Gas und Staub Gas und Staub sind auf die Scheibe reduziert Das Gas besteht zu 70% aus Wasserstoff und 28% aus Helium (Masse) In dichter (kalter) Umgebung ist Wasserstoff meist molekular (H2) In heißer Umgebung wird der Wasserstoff ionisiert (H + bzw. HII) Dazwischen ist Wasserstoff in atomarer Form (H bzw. HI) Die Gesamtmasse des Gases ist 10-20% der stellaren Masse Staub besteht aus kondensierter Mischung von C, O, Si mit ~0.1-1μm Gas und Staub zwischen Sternen wird Interstellares Medium genannt Typische Dichte: 1 Teilchen / cm3, aber sehr hohe Variation Sterne entstehen im ISM (Molekülwolken) und geben wieder Metalle and das ISM ab (chemische Anreicherung) 18 Astrophysik II (Bachelor) 18.10.2017
Die Masse der Milchstraße Schließe auf Massenverteilung aus der Bewegung von Sternen Rotationskurve: Umlaufgeschwindigkeit vs. Radius Rotationskurve von Planeten um Sterne und von Sternen in Galaxien zeigen differentielle Rotation, d.h. verschiedene Winkelgeschwindigkeit Gravitationsbeschleunigung zum Zentrum: ag = GM(r)/r 2 Stern auf Kreisbahn erfährt Zentripetalkraft ac = v 2 /r Kräfte sind im Gleichgewicht v = [ GM(r) / r ] 1/2 Masse kann durch Rotations- kurve bestimmt werden Sichtbare Masse in Milchstraße kann Rotationskurve nicht erklären 19 Astrophysik II (Bachelor) 18.10.2017
Die Masse der Milchstraße Schließe auf Massenverteilung aus der Bewegung von Sternen Rotationskurve: Umlaufgeschwindigkeit vs. Radius Rotationskurve von Planeten um Sterne und von Sternen in Galaxien zeigen differentielle Rotation, d.h. verschiedene Winkelgeschwindigkeit Was ist die Masse der Milchstraße bis zum Radius der Sonne? Gravitationsbeschleunigung G = 6.673 x 10-11 N mzum 2 kg -2 Zentrum: und ag GM(r)/r 2 M = 1.99 x 10 30 kg Stern auf Kreisbahn erfährt Zentripetalkraft ac = v 2 /r M(8.5kpc) = v 2 r/g = (200 x 1000) 2 x 8.5 / (6.673 x 10-11 ) kg Kräfte = 1.574 sind x im 10Gleichgewicht 41 kg = 1.574x10 41 / (1.99x10 30 ) v = [ GM(r) / r ] 1/2 M = 7.9 x 10 10 M Masse kann durch Rotations- kurve bestimmt werden Sichtbare Masse in Milchstraße kann Rotationskurve nicht erklären 19 Astrophysik II (Bachelor) 18.10.2017
Die Masse der Milchstraße Die Rotationskurve der Milchstraße (und anderen Galaxien) bei großen Radien wird flach! Warum? Zwei Möglichkeiten: i) Gravitationsgesetz auf großen Skalen ist falsch und muss modifiziert werden MOND/TeVeS: sehr unwahrscheinlich (mehr dazu später) ii) Materie, die nicht beobachtet werden kann Dunkle Materie Zuerst vorgeschlagen von Fritz Zwicky um die Bewegung von Sternen im Virgo Haufen zu erklären Milchstraße umgeben von Halo aus Dunkler Materie mit R ~ 200 kpc und M = 10 12 M Halo bildet Potentialtopf in dem Gas kühlen und Sterne entstehen können (später mehr) 20 Astrophysik II (Bachelor) 18.10.2017
Was ist Dunkle Materie? Gas? Atomares Gas würde stark bei 21 cm strahlen Molekulares Gas möglich, unwahrscheinlich (Absorption) Ionisiertes Gas würde starke Röntgenstrahlung abgeben Staub? würde IR strahlen + sichtbare Extinktion Massive kompakte Halo Objekte (MACHOs)? Hauptreihensterne wären sichtbar Riesensterne wären noch sichtbarer Neutronensterne Supernovae produzieren Metalle / unbeobachtet Schwarze Löcher wie Neutronensterne Weiße Zwerge Winde von Riesen hätten Metalle produziert Braune Zwerge / Planeten möglich: wenig Strahlung / keine Metalle 21 Astrophysik II (Bachelor) 18.10.2017
Was ist Dunkle Materie? Elementarteilchen? Elektronen/Protonen Ionisierter Wasserstoff / Röntgenstrahlung Neutronen zerstrahlen in 15 Minuten Massive Neutrinos möglich, massive genug für Halobildung? Kalte Dunkle Materie (breite Klasse von theoretisch postulierten aber noch nicht beobachteten Teilchen, schwache Wechselwirkung: WIMPs) derzeit am wahrscheinlichsten Hohe Masse, daher nicht- relativistische Geschwindigkeit (kalt) z.b. Axionen oder super- symmetrische Teilchen (Gravitino) Entweder MACHOs oder WIMPs! 22 Astrophysik II (Bachelor) 18.10.2017
Einschub: Gravitationslinsen Allgemeine Relativitätstheorie: Masse krümmt Raum und Licht folgt der Raumkrümmung Einsteinring Gravitationslinseneffekt 1919 von Eddington während Sonnenfinsternis gemessen Zusätzlich bewirkt der Linseneffekt eine Verstärkung der Leuchtkraft (Objekt erscheint heller wie in einer Linse) Microlensing: Anwendung des Effekts in der Planetensuche. Sternsystem fliegt durch den Vordergrund Verstärkung Wenn Planet auf Einsteinring ist Kurze Verstärkung (Blip) Masse ergibt sich aus Lichtkurve 23 Astrophysik II (Bachelor) 18.10.2017
Das Magellanic Cloud Microlensing Experiment Idee: benutze Gravitationslinseneffekt um dunkle Objekte zu finden Dunkles Vordergrundobjekt (MACHO) verstärkt Hintergrundobjekt Die Große Magellansche Wolke (LMC) ist 50 kpc von der Milchstraße entfernt (Satellitengalaxie). Nahe genug um einzelne Sterne aufzulösen. Annahme: Dunkler Halo der Milchstraße mit Masse M DM reicht bis zur LMC und besteht aus MACHOs (jedes mit Masse m). Teilchendichte: Ein Stern in der LMC wird verstärkt wenn er im Einsteinring eines MACHOs liegt: Anzahl: n = N = n l = GM DM lc 2 = v c M DM ml 3 4 /3 = Gml c 2 2 10 6 24 Astrophysik II (Bachelor) 18.10.2017
Das Magellanic Cloud Microlensing Experiment Ein Stern unter einer Million in der LMC sollte also verstärkt sein Zeitskale eines Linsenereignisses ergibt sich aus der MACHO-Masse Bei einer Sonnenmasse: t = 5 Monate, bei einer Jupitermasse: t = 5 Tage Experiment: Beobachte regelmäßig 107 LMC Sterne für ca. 5 Jahre Wenn der Dunkle Halo aus MACHOs besteht (egal welcher Masse) sind zu jedem Zeitpunkt 10 Sterne verstärkt! Bei MACHOs mit Sonnenmasse werden in 5 Jahren 10 x 5 x 2 = 100 Ereignisse gemessen. Bei Jupitermasse sind es 2600 Wochen-Ereignisse Durchführung von 1999 bis 2010: einige Ereignisse wurden gefunden mit t = 35-230 Tagen (d.h. 0.1-1 M ). Aber: sehr wenige Ereignisse! Können alle durch Linseneffekt von LMC-Sternen erklärt werden. Großteil des Dunklen Halos muss aus WIMPs bestehen! CDM 25 Astrophysik II (Bachelor) 18.10.2017
Aber was ist mit modifizierter Gravitation? Eine andere Möglichkeit ist, dass es keine Dunkle Materie gibt und nur das Gravitationsgesetz auf großen Skalen geändert werden muss Bekannteste Theorie: Modified Newtonian Dynamics (MoND) Newtons Gesetze wurden nur im Sonnensystem überprüft Erdbeschleunigung ist hier z.b. a = 0.6 cm/s 2, also recht stark Die Beschleunigung der Sonne ist nur 2.2 x 10-8 cm/s 2, also schwach Ersetze F = ma durch F = ma 2 /a 0 flache Rotationskurven Allerdings: mehrere Probleme Bullet Cluster, Hintergrundstrahlung, BB-Nukleosynthese, 26 Astrophysik II (Bachelor) 18.10.2017