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Die ersten Galaxien: Wie der heutige Kosmos entstand
Heidelberger Gaduiertenkurse Physik 18. – 21. April 2006
Motivation für diesen Kurs:
Unser Kosmos entstand vor 13.7 Milliarden Jahren im„Big Bang“. Das Ergebnis des Urknalls war aber zunächstein fast völlig homogenes Wasserstoff-Helium-Plasmaohne Galaxien, Sterne, Planeten, Leben … und ohne diechemischen Elementen aus denen wir und die unsvertraute Umgebung bestehen.
Ihre heutigen Eigenschaften erhielt die Welt erst einigehundert Millionen Jahre später, als der Prozess der Sternbildung einsetzte und Kernreaktionen in massereichenSternen anfingen schwere Elemente zu bilden.
Fortschritte der astronomischen Technik ermöglichen es,
diese kosmische „Umbruchepoche“ direkt zu beobachten.
Inhalt des Kurses:1. Einleitung
2. Einige astronomische Grundlagen
3. Der Kosmos heute
4. Vergangenheit & Zukunft des Universums
5. Ursprung & Entwicklung von Struktur
6. Die ersten Sterne & Galaxien (Theorie)
7. Beobachtungsergebnisse zum frühen Universum
8. Entstehung von Leben im Kosmos
Die Ersten Galaxien
Kapitel 2: Einige astronomische Grundlagen
2.1 Definitionen, Begriffe, Bezeichnungen
2.2 Etwas astronomische Technologie (soweit für diesen Kurs relevant)
Literatur: Einführende Lehrbücher der Astronomie, z.B. Unsöld-Baschek, „Der Neue Kosmos“, Springer-Verlag
Einige astronomische Bezeichnungen:
(1) Sterne: Hydrostatische Gaskugeln mit ca. 0.01 bis ca. 100 Sonnenmassen (2) Planeten:Hydrostatische Materiekugeln mit R ~ M1/3
Massen < ca. 10-3 Sonnenmassen
(3) Galaxien: Gravitativ gebundene Sternsysteme mit > 105 Sonnenmassen
(4) Galaxienhaufen: Gravitativ gebundene Ansammlung von typisch 10 bis 104 Galaxien
(5) „Rotverschiebung“: z = λbeob /λ0 - 1 = ν0 /νbeob - 1
Schwarze Löcher:
extrem verdichtete Massen (R < Rs = 2GM/c2)G = Gravitationskonstante, M = Masse, c = Lichtgeschw.
z.B. Sonne in Kugel mit Radius < 3 km Erde in Kugel mit Radius < 1cm
Umlaufbahnen nahe eines SL haben sehr hohe |Upot|. SL sindKraftwerke sehr hoher Effizienz...
Röntgenquellen, Quasare, …
Spezielle Astronomische Maßeinheiten:
EINHEITEN FÜR STRAHLUNGSFLÜSSE:
W m-2 Hz-1 , W m-2 A-1, erg s-1 cm-2 A-1, ….
Jansky: 10-26 W m-2 Hz-1
Magnituden: -2.5 x log(F) + C
EINHEITEN FÜR ENTFERNUNGEN:
„Astronomical Unit“ („Astr. Einheit“), AU = 1.496 x 1011 m
„Parsec“: 3.086 x 1016 m = 206 265 AU =
= 3.26 Lichtjahre
„Photonenflüsse“:
Strahlungsfluß ausgedrückt in empfangenen Photonenpro Zeiteinheit, Flächeneinheit, und Wellenlängenbereich.
„Faustformel“: im visuellen Spekralbereich (V-Band) erhalten wir ca.
P(m) = 103-0.4 m(v) Photonen s-1 cm-2 A-1
(m(v) = Größenklasse (Magnitude) im V-Band)
Für ein 8-m-Teleskop (wie ESO-VLT) (ohne Verluste): m(V) = 15 (ca. 3 mJ) 500 Photonen s-1 A-1 m(v) = 30 (ca. 3nJ) 5 x 10-4 Photonen s-1 A-1
Die Ersten Galaxien 2.2 Etwas astronomische Technologie
Wichtigste Hilfsmittel der Astronomen: a) Teleskope: Sammeln „Licht“ (Radio bis Gamma) und bilden die Quellen ab
b) Spektrographen: Messen das Spektrum bzw. die Energieverteilung des Lichts
c) Polarimeter: Messen den Polarisationszustand
Literatur: z.B. P. Lena et al. „Observational Astrophysics“, Springer Verlag 1998, R. Wilson, „Reflecting Telescope Optics (2 Bände), Springer-Verlag 2004
Galilei 1609 (~ 2cm)
Earl of Rosse 1845 (1,8m)
Mt. Palomar 1949 (5m)
Entwicklung der Teleskopöffnungen
Abb.: ST Science Institute
Eindringtiefe der elektromagnetischen Strahlung bei verschiedenen Wellenlängen
Radio-Interferometer „Very Large Array“In New Mexico, USA27 (25 m-) Teleskope, max. Basis 25 km (Photo: NRAO Homepage)
Winkelauflösung astronomischer Beobachtungen:
(1) Bei allen Wellenlängen wird die Auflösung durch die Beugung an der „Eintrittspupille“ der Telskope begrenzt ( Auflösungsgrenze ca. λ/D)
(2) Im optischen Spektralbereich wird die Auflösung zusätzlich durch die „Verbiegung“ der Wellenfronten durch stochastische Brechung in der turbulenten Erdatmosphäre verschlechtert.
Auswege:(A): Beobachtungen vom Weltraum aus (z.B. HST)
(B): Wiederherstellung der Wellenfronten mit adaptiver Optik.
(C): (im optischen und Radiobereich): Interferometrie
Die ersten Galaxien Kapitel 3: „Der Kosmos heute“
(z.Zt.) bekannte wesentliche Komponenten: Planeten, Sterne, Schwarze Löcher, Galaxien,interstellare Materie, Galaxienhaufen, intergalaktische Materie, Photonen, Neutrinos,Dunkle Materie, „Dunkle Energie“, …
Literatur: Einführende Lehrbücher der Astronomie, z.B. Unsöld-Baschek, „Der Neue Kosmos“, Springer-Verlag P. Schneider, „Extragalaktische Astronomie und Kosmologie“ Springer-Verlag (2006)
S-Galaxie
E- Galaxie (mit „gelinster“Hintergrund-Galaxie)
Irr-Galaxie
Irr-Galaxie(Folge einerWechsel-wirkung)
„Krebsnebel“
Neutronenstern+ expandierendePlasmawolke
Überrest einerSupernova, dieim Jahre 1054beobachtet wurde
Aufnahme:FORS TeamESO
Radiogalaxie (AGN)NGC 5128Einfang einer Gas +Staub – Galaxie durch eine E-Galaxie
ESO VLT, FORS Team
Verteilung von Galaxien mit bekannten Entfernungen in einer Ebene (II zur GE).
=> Galaxien zeigen „schwammähnliche“ Verteilung, mit „Leerräumen“ und „Zellwänden“
Dunkle Materie:
Materie, die keine (nachweisbare) Wechselwirkung mitLicht zeigt und daher nur durch ihre Gravitation auffällt.
Entdeckt (1933) von Fritz Zwicky(1898 – 1974), der fand, dass die Bahn-bewegung der Galaxien des Coma-Haufenseine Masse ca. 100 x größer als die Summe der Galaxienmassen erfordert….
Natur der DM: Vermutlich bis jetzt unbekannte Elementar-teilchen mit geringer Wechselwirkung aber relativ großer Masse („Weakly Interacting Massive Particles“, WIMPs)
„Dunkle Materie“ und „Dunkle Energie“:
Dunkle Materie dominiert die Gravitation von Galaxienund Galaxienhaufen. Auf kleinen Skalen (Sternhaufen,Sternen, Planetensysteme,..) spielt sie keine Rolle. DM „klumpt“ weniger als normale Materie Die beobachtete Dynamik des gesamten Kosmos (alsodie kosmische Expansion) erfordert zusätzlich zurDM noch eine Vakuum-Energiedichte oder „DunkleEnergie“ („DE“) (siehe Kapitel 4). Im Gegensatz zur DM nimmt die Dichte der DE während der kosmischenExpansion nicht wie a-3 ab.
Die DE dominiert (heute) die Gesamt-Masse-Energie-Dichte im Kosmos.
Kosmische Masse-Energie-Bilanz (Anteile in %) Spezies: Anteil: Unsicherheit:
Dunkle Energie: 72 % 3 % Dunkle Materie: 23 3 Neutrinos: < 0.2 Strahlungsfeld: 0.005 0.000 Intergalaktisches Gas: 4.2 0.3
Sterne: 0.25 0.04Planeten: < 0.001 Schwarze Löcher: 0.010 0.002Interstellare Materie: 0.08 0.01
Details: siehe z.B. Fukugita & Peebles, ApJ 616, 643 (2004)
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