Galaxien - MPAweiss/Einfuehrungs...Elliptische Galaxien Galaxien mit etwa elliptischen Isophoten...

Galaxien:

●Überblick●Milchstraße

●Elliptische Galaxien●Spiralgalaxien●Zwerggalaxien●aktive Galaxien

Was wollen wir über Galaxien wissen?

● Arten/Typen

● gemeinsame und spezielle Eigenschaften

● Entstehung; Entwicklung

● Verteilung, Vorkommen

● Energiehaushalt; Energiequellen

● Dynamik; Materie

● galakto-chemische Entwicklung: Elementsynthese; Materiekreislauf

● Verständnis der Milchstraße

Überblick - Morphologie

● Galaxien haben unterschiedliches Erscheinungsbild

● auch unterschiedliche Eigenschaften?

● Zusammenhang zwischen diesen morphologischen Typen?

● Hubble ordnete morphologische Typen (willkürlich)

Elliptische Galaxien

● Galaxien mit etwa elliptischen Isophoten

● keine weitere Struktur

● Elliptizität =1-b/a (a, b: große bzw. kleine Hauptachse), von 0 bis etwa 0.7

● Unterklassen En, mit n=10; E0: kreisförmige Isophoten

● offensichtlich Projektions-Effekte wichtig, daher Klassifikation nicht unbedingt aussagefähig

● andererseits Elliptizität auch nicht nur projektions-bedingt

● elliptische Galaxien = "Frühtyp" - ohne Bedeutung

Spiralgalaxien

● Scheibe mit Spiralarmstruktur und zentraler Verdickung (bulge)

● zwei Hauptklassen: normale (S) und Balken- (SB) - Spiralen; letztere zeigen balkenförmige Struktur vom Bulge ausgehend

● weitere Unterklassen (a, ab, b, bc, c, cd, d) entsprechend dem Verhältnis Bulge zu Scheibe

● werden "früh" bis "spät" genanntBezeichnung ohne jede wirkliche Bedeutung!

● ebenso Spiralgalaxien = "Spättyp" ohne Bedeutung

Irreguläre Galaxien

● haben wenig (Irr I) oder keine (Irr II) reguläre Struktur

● Spiralsequenz mittlerweile um Spezialtypen erweitert; Klassen Sdm, Sm, Im (m für Magellansche Wolken)

● Große Magellansche Wolke ist SBm

S0-Galaxien● Zwischentyp; linsenförmig (lenticulars); S0 oder SB0

● Bulge und umhüllendes Gebiet ohne Helligkeitsstruktur, bzw. Scheibe ohne Spiralstruktur

Morphologie

Die Hubble-Sequenz illustriert mit echten Galaxienaufnahmen

Ein Bilderbuch: Elliptische Galaxien

M32 (E2); Zwerggal.Begleiter von M31

M49 (E1) im Virgo-Haufen

M59 (E5) im Virgo-HaufenM86 (S0 oder E0?)

im Virgo-Haufen

M110 (E6); Zwerggal.Begleiter von M31

NGC5128 (Cen A); E0;pekuliär wg. Radio undRöntgen-Emission; Staubband

... noch mehr Bilder: Spiralgalaxien

M31 (Sb)Andromeda-Nebel M33 (Sc)

lokale Gruppe

M58 (SBc)Virgo-Haufen

M64 (Sab) in Coma Berenices

NGC1300 (SBc) M104 (Sab)Sombrero-Galaxie

M102 (S0); Spindel-Galaxie im Drachen

... und immer noch mehr schöne Bilder

IC4182: Irr (Spiral)LMC (SBm)

SMC (Irr)NGC5383 (SBb)

NGC2276 (Sc)

NGC2685 (S0p)

Es gibt noch weitere, in der Hubble-Klassifikation nicht enthaltene Typen

Leuchtkraft-Funktion für Galaxien

Schechter schlug 1976 eine globale Funktion für die Anzahldichte aller Galaxien als Funktion ihrer Helligkeit vor

L

L✭=✭ L

L✭

exp− L

L✭

wobei typische Werte für die verschiedenen Konstanten sind:

L B ,✭≈1010 L B ,⊙ h−2 oder M B ,✭≈−19.55 log h

✭≈0.01 Mpc−3 h3

≈−1⋯−1.3

M B=−2.5 logL

L B ,⊙

5.48

Die Milchstraße

● galaktische Koordinaten: sphärisch, mit Zentrum "hier"

– Richtung zum Zentrum und Rotations-Nordpol ausgezeichnet

– Galaktische Ebene (s. Band der Milchstraße)

– b: gal. Breite (Höhe über Galaktischer Ebene); -90 ... +90

– l: gal. Länge (dazu senkrechte Winkelkoordinate); -180 ... +180

– l=0, b=0: Zentrum; b=90o NGP (12h51min; 27.13o in äquatorialen Koordinaten)

● daneben zylindrische Koordinaten mit gal. Zentrum als Ursprung (R,z,)

Struktur der Galaxie● Typ: Sbc (oder „SAB(rs)ab“?)

● bekannte Komponenten sind:

– Scheibe mit Spiralarmen

– zentraler Bulge

– sphärischer Halo

– vermutlich ein Balken

● Entfernung zum Zentrum (in Richtung Sternbild Sagittarius) R0 = 8.5

kpc (oder 8 s.u.)

● Geschwindigkeit der Sonne um Zentrum 220 km/sec

● Durchmesser der Scheibe etwa 50 kpc

● Halo mindestens ebenso groß

● M = 1.3 x 1012 M⊙; L = 3.6 x 1010 L⊙ ; LB = 2.3 x 1010 L⊙

Die Milchstraße - Darstellungen

http://adc.gsfc.nasa.gov/

Entfernungen und Geschwindigkeiten● Vermessung der Struktur und Kinematik der Galaxis

– Entfernungen über Sterne (z.B. Typen bekannter absoluter Helligkeit oder Pulsationsveränderliche) und statistische Methoden (Sternstromparallaxe)

– Geschwindigkeiten:● in radialer Richtung von der Sonne:

Dopplereffekt -> Radialgeschwindigkeit vr

● in tangentialer Richtung als Änderung des Positionswinkels -> Eigenbewegung

● mit Entfernung -> Tangentialgeschwindigkeit

● daraus 3-dim. Bewegung relativ zur Sonnevt=Dv t

k m/ s=4.74 D

1 pc 1 ' ' / Jah r

Absorption und Extinktion

● Staub und Gas, vor allem in der Scheibe, schwächen Licht (frequenzabhängig -> Rötung)

● einerseits undurchsichtige Scheibe (wir sehen nur nahe Umgebung und außerhalb der Scheibe)

● andererseits bei bekanntem Spektrum und Absorptionsverhalten Möglichkeit der Entfernungsbestimmung

● in Sonnenumgebung ist Absorptionskoeffizient im Visuellen etwa

aV≈1magD

1 kpc

Anzeichen Dunkler Materie

Bewegung der Sonne um Materie innerhalb ihres Radius

v⊙=GM r⊙r⊙ aus sichtbarer Materie (und

bekanntem stellaren M/L) sowie r⊙

= 8 kpc erwartet man 160 km/s;beobachtet sind aber 220 km/s

also: innerhalb der Sonnenbahn muss mehr Masse sein, als manaus Stern- und Gasabschätzungen erwartet (etwa 2-mal)

Sternverteilung in der Galaxis● Scheibe besteht aus zwei Komponenten:

– dünne Scheibe: jung, jetzt Sternentstehung; größter Staub- und Gasanteil; etwa solare Metallizität

– dicke Scheibe: älter und weniger aktiv; ebenfalls Z⊙

● Bulge:

– wegen aV = 28 (!) mag nur im IR sichtbar

– zentrale, balkenförmige Verdickung, etwa 1kpc groß; alte und junge Sterne; Metallizität von Z

⊙/2 bis 3xZ

⊙

● sichtbarer Halo:

– Feldsterne und Kugelsternhaufen; alt, metallarm (Z⊙/100); 50 kpc

● Dark Matter Halo:

– mindestens so groß wie sichtbarer Halo; Art der Materie unbekannt

Daten zur Scheibe

● Sterndichte folgt Exponential- (hier) oder Potenzgesetz (allgemein) mit typischer Skalenhöhe

● Dichteverteilung (aus Sternzählungen)

n r , z= n0 exp− z/ hthin0.02exp− z/ hthickexp−r / h R

neutrales Gas dünne Scheibe dicke Scheibe

M (1010 M⊙) 0.5 6 0.2 bis 0.4

L (1010 L⊙) -- 1.8 0.02

M/LB

-- 3 ??Durchm. (kpc) 50 50 50Skalenhöhe (kpc)0.16 0.325 1.4

w (senkr. Scheibe) 5 20 60 km/sec

[Fe/H] >0.1 -0.5 .. +0.3 -1.6 .. -0.4Alter (Gyr) ?? <12 12 .. 14

hR: 3.5 kpc

n0: 0.02 Sterne/pc3

Spiralarme der Milchstraße

Sterne umlaufen Massenzentrum auf Kepler-Bahnen (Schwerkraft = Fliehkraft; wie Planeten)

Spiralarmstruktur aufgeklärt durch Beobachtungen in der 21cm-Linie des neutralen Wasserstoffs (Radiobereich)

Spiralstruktur

● Spiralstruktur wird durch junge, heiße O-Sterne charakterisiert

● alte, rote Sterne weit gleichmäßiger verteilt (geflohen)

● Sonne nahe, aber nicht in einem Spiralarm (Orion-Arm)

Struktur in Sonnenumgebung: links 500 pc, rechts 3 pc

Stellarer Halo

● sphärisch; Durchmesser 100 kpc ; = 90 km/s( : Geschwindigkeits-Dispersion)

● Dichteverteilung Potenzgesetz r-3.5 ; Skalenhöhe 3 kpc

● Metallizität [Fe/H] = -3 ... -0.5 (Rekordstern -5.4)

● Alter der Kugelsternhaufen 12-14 Gyr (metallreichere etwas jünger)

● Masse 109 M⊙; Leuchtkraft 109 L

⊙ ; M/L = 1

● KSH machen nur 1% der Masse aus (etwa 100 mit je 105 Sternen)

Der Bulge

● Masse 1010 M⊙; Leuchtkraft 0.3 1010 L

⊙ ; M/L = 3

● Flächenhelligkeits-Profil ähnlich dem von elliptischen Galaxien

● "effektiver" Radius (halbe Zentralhelligkeit) 0.7 kpc

● Balkenform? Skalenhöhe 400 pc; Abplattung 0.6

● Metallizität reicht von [Fe/H] = -1 bis +1 (10x solar!!); Mittelwert 0.3 (2x solar!)

● Alter unklar; auf jeden Fall auch 10 Gyr und darüber, vermutlich auch sehr junge Sterne vorhanden

● unklar, ob Bulge zu Halo, oder zu Scheibe gehört (wichtig für Entstehungs-und Entwicklungsgeschichte)

Das Galaktische Zentrum

● wo liegt das Zentrum? wie zu definieren?

● Informationen wegen Extinktion nur aus Radio,- IR-, Röntgen-, nicht aber aus optischen Beobachtungen

● optisches Bild in Richtung galaktischer Kern zeigt Gas/Staub-Wolken, viele Nebel und Sternhaufen und "Baades Fenster"

Radioquelle im Zentrum

Sgr A East:(20cm Kont.)

Sgr A West:(6cm Kont.)

Ring um Kern:(HCN Em.-Linie)

da andere Galaxien oft kompakte Radioquelle im Zentrum haben, ist Sgr A guter Kandidat für Zentrum unserer Galaxie

Infra-Rot● Position von Sgr A zwischen IR und Radio abgeglichen

● im IR bessere Auflösung (Interferometrie)

● bei 2 µm kompakter Sternhaufen sichtbar, zentriert auf Sgr A*

● wegen hoher Dichte (Stöße) erwartet man nahezu konstante Geschwindigkeit

● aber ~ 55 km/s bei 5 pc, und ~ 180 km/s bei 0.15 pc! zentrale Massenkonzentration!

● Massenbestimmung: M = (2.7 ± 0.4) ⋅106 M⊙ innerhalb 0.01 bis 0.5 pc

(also Punktmasse innerhalb 0.01 pc!)

Der zentrale Sternhaufen

der zentrale Sternhaufen unddie Bewegung seiner Mitglieder

M(r) innerhalb Sgr A* durch Vermessung der stellarenGeschwindigkeiten (blau); rot: M(r) für zentrale Punktmasse plus Haufen (grün, 2 zentrale Dichten)

Das Schwarze Loch im Zentrum der Milchstraße

● einige Sterne erreichen bis zu 1400 km/s nur 0.1 arcsec von Sgr A*

● Kepler-Gesetz für v(r) in Sternhaufen (Eigengravitation) nur außerhalb 1 pc

● aber wie Haufen + Punktmasse (Mill. Sonnenmassen) bis zu 0.01 pc-> Schwarzes Loch aufgrund der hohen Dichte (> 1018 M⊙/pc3), am Ort der zentralen Radioquelle Sgr A*

● Sgr A* selbst hat nur < 20 km/s; also auch dynamisches Zentrum

● mittlerweile auch Beschleunigung der Sterne vermessen-> im Brennpunkt steht Sgr A*

Stern S2 kreist um das zentrale Schwarze Loch

http://www.mpe.mpg.de/www_ir/ir_recent.php#GCDIST

Bewegung des Sterns S2 vermessen (Winkelbewegung);umkreist Schwarzes Loch (Sgr A*) in einigen Jahren;Geschwindigkeiten über Spektroskopie bekannt;aus Integration geometrische Bahnlänge und damit auch Entfernung zu Objekt:

7.94 kpc

Elliptische Galaxien● Normale Ellipsen: Riesen (gE)

mit MB~-23, normale (M

B~-18) und

kompakte (cE) elliptische Galaxien (MB~-

15); auch S0

● zahlenmäßig größte Gruppe in Galaxienhaufen

● oft dominierende Zentralgalaxie in Haufen; besonders leuchtkräftige werden mit cD (z.B. M87) bezeichnet

● Zwergellipsen (dE): im Vergleich zu cE deutlich kleinere Flächen-helligkeit und niedrigere Metallizität

(M87, Typ E1)

(Isophoten von PKS 2254+07)

Helligkeitsprofil

● de Vaucouleur-Profil der Flächenhelligkeit:r1/4-Gesetz

Helligkeitsprofilvon NGC4472

log I rI e

=−3.3307[ r

re

1 / 4

−1]I: Flächenhelligkeitr

e: "effektiver" Radius, bei

dem Hälfte der Gesamtleuchtkraft erreicht istI

e: I(r

e)

Zusammensetzung von Elliptischen

● wenig Gas (früher meinte man: "kein Gas")

– heißes Gas (107 K; Röntgen-Emission)

– H Emission von warmem Gas (104 K)

– kaltes Gas in 21-cm (HI) und CO (100 K)

● aber deutlich weniger als in Spiralgalaxien

– > wenig Sternentstehung , wenig junge, heiße Sterne

● Staub (in etwa 50% aller E-Galaxien); teils als Scheibe

● Metallizität zum Zentrum hin ansteigend

– aus Farbgradient (röter -> mehr Metalle)

Dynamik von Ellipsen● Abplattung durch Rotation?

– dann Rotationsgeschwin-digkeit v

rot ~ Geschwin-

digkeitsdispersion v

– gemessen aber vrot

/v ≪ 1

– außerdem sind Es triaxial (also keine Rotationsachse)

● Form bestimmt durch Ver-teilung der stellaren Orbits als Resultat der Entstehung bzw. Entwicklung

x: Bulges von Scheibengalaxien•: ellptische Galaxien

-> hellste Es nicht rotationsstabilisiert, sondern durch anisotrope Verteilung im Geschwindigkeitsaum; die Dynamik ist durch das großräumige

Gravitationspotential bestimmt. x: Bulges von Scheibengalaxien•: ellptische Galaxien

-> hellste Es nicht rotations-stabilisiert!

x: Bulges von Scheibengalaxien•: ellptische Galaxien

-> hellste Es nicht rotations-stabilisiert!

Zentralgebiete elliptischer Galaxien

● einige hilfreiche globale Parameter:

– Kernradius rc

– zentrale Flächenhelligkeit

– zentrale Geschwindigkeitsdispersion

● es existieren z.T. erstaunliche Korrelationen zwischen diesen Größen

● Kerne wichtig für dynamische Entwicklung

I r c=1

2I r=0

0= r=0

2=v2− v2

Faber-Jackson-Beziehung

Faber-Jackson: Beziehung zwischen zentraler Geschwindigkeitsdispersion und Gesamthelligkeit von elliptischen Galaxien:

L B∝ 04

Ergebnisse kinematischer Untersuchungen

● leuchtschwache Ellipsen können rotations-abgeflacht sein, helle elliptische Galaxien aber sind anisotrop

● Kerne können gegensinnig rotieren -> Entstehung elliptischer Galaxien nicht aus gleichförmigem Kollaps einer großen Gasmasse, sondern eher aus Verschmelzen kleinerer Teile

● hohe Geschwindigkeiten(-dispersionen) im Zentrum: Hinweis auf Existenz Schwarzer Löcher (in einigen elliptischen Galaxien)

● ebenso in äußeren Bereichen Anzeichen von Dunkler Materie (Bewegung von 'Testteilchen'); steigt nach außen an

Fundamental-Ebene von Elliptischen● globale Parameter von elliptischen Galaxien:

– Effektivradius re

– mittlere Flächenhelligkeit Ie innerhalb r

e

– zentrale Geschwindigkeitsdispersion c

– Leuchtkraft L (oder MB)

– Masse M

● stehen in Beziehung zueinander über

I e=L

2 re2

M

re

=c 02 re= c

2 M

L −1

02 I e

−1

Def. der mittl. Flächenhelligkeit; Virial-Gleichgewicht --> erwartete Beziehung

Fundamental Plane / 2

● man erwartet, da M/L und c (Struktur-Parameter, der Details der Galaxienstruktur enthält) etwa gleich für alle Es sein sollte, dass r

e, I

e, und

c eine Hyperfläche beschreiben sollten

● tatsächlich gefunden, mit erstaunlich wenig Dispersion (<10%)

● empirischer Befund:

● entspricht Erwartung, falls:

● also: Dynamik, M/L, DM, etc. variieren kaum!

re∝ c1.4 I e

−0.85

2c M

L ∝ M0.2∝ L0.25

Populationen in elliptischen Galaxien● Ell. Galaxien sind "rot" und zeigen integrierte Spektren wie Rote Riesen ->

es fehlen massereiche junge Sterne, alte dominieren -> dominierende Population > 5 Mrd. Jahre alt

● rote Farben kann aber auch Folge von hohem Metallgehalt sein-> Alter-Metallizitäts-Entartung; verhindert genaue, unabhängige Bestimmung von beidem

● Ell. Gal. scheinen aber sowohl metallreich (bis super-solar) und alt zu sein (im Gegensatz zur galaktischen Population I)

● gleichzeitig Überhäufigkeit von Elementen wie O, Mg, Ca (-Elemente, da durch -Einfang auf O in Supernovae II entstanden)-> hohe Sternentstehungsrate zu Beginn der Entwicklung, dann stark abfallend

● Metallgehalt radial abfallend, also abnehmende Sternentstehung

Spiralgalaxien

● Trends innerhalb Spiralsequenz (von a- bis c-Typen):– abnehmendes Bulge-zu-Scheibe-L-Verhältnis (0.3 zu 0.005)

– zunehmender Öffnungswinkel der Arme (von 6o zu 18o)

– Helligkeitsstruktur entlang der Arme nimmt zu (glatt zu klumpig)

● Helligkeits-/Massenbereich von Spiralen kleiner als bei Ellipsen:-16 > M

B > -23; 109 < M/M⊙ < 1012

● es gibt zwar Zwerg-Ellipsen, aber keine Zwerg-Spiralen (stattdessen Zwerg-Irreguläre)

(M81 in UMa; Sb)

Helligkeitsprofil

● Bulge und Scheibe unterschiedliche Profile

● Bulge: de Vaucouleur-Profil (wie elliptische Galaxien)

– Scheibe: Exponential-Gesetz (wie unsere Scheibe)

r=e8.3268[ r

re

1 / 4

−1] ∝2.5 log I

r=01.09 r

hr

●µ0: zentrale Helligkeit der Scheibe (in Magnituden); nicht direkt messbar,

sondern nur aus Extrapolation des Gesetzes zu r=0 erhältlich; empirisch: relativ einheitlich für alle Sub-Typen 21.5-22.7 B-mag/arcsec2

●hr: Skalenlänge der Scheibe

Rotationskurven● einfach zu messen für Spiralen, die von der Seite gesehen werden

(Dopplereffekt)

● Inklination korrigierbar (Annahme: kreisförmig)

● Spektrallinien von Sternen und 21cm-Linien des HI-Gases (neutraler H): HI-Scheibe meist deutlich größer als Sternscheibe

● Befund:Rotationskurven von Spiralgalaxien fallen nicht ab für r > h

r, wie aus Lichtverteilung zu erwarten, sondern bleiben flach

● daher: Dynamik von Materie bestimmt, die nicht wie Sterne leuchtet -> Dunkle Materie

beobachtete Rotationskurven

Beispiele von Rotationskurven;alle flach;Amplitude höher für früheTypen

NGC3198: beobachteteRotationskurve und ab-geleiteter Effekt durchHalo Dunkler Materie

Stellare Populationen und Gasgehalt

● Farbe (B-V): 0.75 (Sa), 0.52 (Sb), 0.52 (Sc), 0.3 (Irr)

– zur Erinnerung: kleine Werte <=> blauer

● also höherer Anteil massereicher (junger) Sterne

● auch entlang Spiralarme: knotige Sc-Arme -> junge Sterne

● zunehmend aktivere Sternentstehung mit Galaxientyp

● Gasanteil höher entlang Hubble-Sequenz:

– <Mgas

/Mtot

>=0.04, 0.08, 0.16, 0.25 (Sa, Sb, Sc, Irr)

● Farbgradient: röter innen wegen

– Metallizität (höher innen; Bulge!)

– weniger Sternentstehung (weniger Gas im Bulge), also ältere Sternpopulation

Spiralstruktur

● könnten "materiell" sein, also aus Sternen und Gas bestehen, die wie Rest der Scheibe um Zentrum rotieren

● aufgrund der notwendigen differentiellen Rotation aber müssten sie sich sehr schnell aufwickeln (Umlaufszeit ca. 108 Jahre)

● Spiralarme sind quasi-stationäre Dichtewellen

● Dichte 10-20% höher als in Umgebung

● in Welle eintretendes Gas wird komprimiert, kann Kollaps beginnen -> Sternentstehung -> blaue Farbe

● viele der jungen Sterne schon wieder verloschen, wenn Dichtewelle vorüber

Schwarze Löcher in Spiralgalaxien

● Wiederholung: Schwarzschild-Radius ist

● ein schwarzes Loch kann also erwartet werden, wenn die Massenkonzentration innerhalb eines Volumens genügend groß ist

● für Sonne ist rS=3 km; für das BH im Galaktischen Zentrum etwa 7.5

Mill km (6 µarcsec) -> nicht auflösbar!

● Geschwindigkeiten um BH bis über 1000 km/s

● charakteristische Geschwindigkeit im Abstand r vom BH mit Masse Mbh

ist

r S=2GM

c2

r S=2.95⋅1 05 c m M

M⊙

GMb h/ r

● für genügend kleine Radien wird Kinematik der Umgebung vom BH alleine bestimmt

● als Winkel: ~ 0.1 arcsec/Abstand in Mpc; nahe Galaxien!

● also hohe Auflösung (Hubble Space Telescope) notwendig, um Kinematik nahe genug an BH messen zu können

● je schlechter Auflösung, desto höher muss MBH

für Nachweis sein

● BH, falls Geschwindigkeitsdispersion (oder Rotation) nach innen ansteigt, etwa wie

● Probleme: Projektionseffekte und komplizierte Orbit-Kinematik

rB H=GMB H

2~0.4 MB H

106 M⊙

100k m/ s −2

pc

Entdeckung Schwarzer Löcher

∝ r−1/ 2

Kinematik im Kern von M84

M84: D=15 Mpc (Virgo-Haufen); MBH

~ 3 x 108 M⊙

Maser-Quelle um Kern von NGC4258oben:Kern der (Seyfert-)Galaxie mit der leicht verbogenen Scheibe um die zentrale Energie-quelle mit Jets energiereicher Partikel; Farben sollen Doppler-Verschiebung illustrierendarunter Spektrum mit Maser-Emission

Mitte:Spektrallinie; mit Doppler-Verschiebung;best-fit Scheibe darüber gelegt

unten:20cm Aufnahme

Ergebnis:M

BH=3.5 x 106 M⊙; Abweichung von Kepler-Rotation

weniger als 1%aus Beschleunigungsmessung auch Entfernung bestimmt!

Überblick über supermassive Schwarze Löcher in Spiralgalaxien

● z.Zt. etwa 40 Galaxien mit SBH; bis 109 M⊙

● MBH

korreliert mit Helligkeit des Bulges (mit Streuung)

● bessere Korrelation mit des Bulges

Zwerg-Galaxien

1. Dwarf Ellipticals (dE) und Dwarf Spheroidals (dSph)

• ähnlich den Elliptischen; keine jungen Sterne

• Profile von dV- bis Exponential-Gesetz (wie Scheiben)

2. Dwarf Irregulars (dIrr)

• Knoten in Helligkeits-Profil -> Sternentstehung

• HI Verteilung größer als die der Sterne

• Blue Compact Dwarfs: Extremfall mit Starburst in einer sehr hellen Region; möglicherweise in einigen Gebieten zum ersten Mal Sternentstehung

• i.A. alt mit zusätzlichen jüngeren Starbusts

NGC 2915 dIrr

weiß/gelb: optisch blau: HI

Kinematik in Zwerggalaxien

• dE: ähnlich den großen Ellipsen LB

~ c2.5...3

• ebenfalls zuwenig Rotation -> anisotrope Orbits

● bei sehr niedrigem L -> sehr hohes M/L (bis 100 rel. zu solar)

● scheinen daher sehr stark und überall von DM dominiert zu sein!

● einige (Dra) scheinen fast nur aus DM zu bestehen...

• auch bei dIrr: schwächste Galaxien völlig DM-dominiert•kinematische Daten vor allem von HI•bei gleicher Helligkeit Geschwindig-keiten in dE und dIrr gleich

Aktive Galaxien● Active Galactic Nuclei (AGNs)

● kompakte, sehr helle Kerne (Zentren); Skala 3 pc

● hell im UV (blau)

● Emissionslinien, verbreiterte Absorptionslinien

● nicht-thermische Strahlung

● „super-luminal motion“

● Röntgen-Emission

● Radio-Emission auf großen Skalen (kpc-Mpc); Jets

● Variabilität über kurze Zeitskalen (Minuten-Tage)

● Leuchtkräfte:

● mittlerweile in allen Fällen Galaxien-Natur bestätigt

● in näherer Umgebung der Milchstraße sehr selten

Lnuc=1045−1048 erg / s≃1012−1015 L⊙

AGN-Typen

1. Radio-Galaxien

hohe Radioleuchtkraft Cyg A: 1011

Emission meist aus großen Gebieten außerhalb der eigentlichen Galaxie (radio lobes)

Lobes haben Ursprung in Jets aus Zentrum der Galaxie

Synchrotron-Emission relativistischer Elektronen

Radio-Galaxien sind gigantische Teilchenbeschleuniger

gefunden bis Rotverschiebung z=4-5

50% E0/S0-Galaxien, 50% Quasare (s.u.)

Jets reichen bis 0.1-0.5 Mpc; erscheinen manchmal nur auf einer Seite

Lradio≥108 L⊙

Ee≃1012 eV

Radio-Galaxie NGC 383 = 3C31

blau: optisch rot: Radio

Radio-Galaxie Centaurus A

M87 und JetM87 ist Zentralgalaxie im Virgo Haufen;

17 Mpc entfernt;

Jet ist stark kollimiert; Schocks (Stöße) sichtbar; Synchrotron-Emission

Radio-Galaxie Cygnus A

AGN-Typen

2. Quasare (QUAsi-StellAr Radio Source)

1963 entdeckt B. Schmidt: Radioquelle 3C273 hat optisches ("stellares") Gegenstück; Jet; z=0.158 (damals am weitesten entfernte Quelle; 500 Mpc); daher M

B=-23.5 ->100mal heller als normale Galaxien

breite Emissionslinien -> hohe Geschwindigkeiten

Radiospektrum stückweise Potenzgesetz (~-0.7); Synchrotronstrahlung

leuchtkräftigste Unterklasse der AGNs

Statistik:entweder: Quasare leben lange, dann macht nur 1 von 100 Galaxien einen Quasaroder: jede Galaxie ist einmal ein Quasar gewesen, dann aber nur für 107 Jahre

Quasar-Spektrum

Seyfert-Galaxien

3. Seyfert-Galaxien 1943 von Seyfert eingeführt: Galaxien mit Kern sehr hoher Flächenhelligkeit

2 Untertypen: Seyfert 1 und 2

Spiralgalaxien

optisches Spektrum von Seyfert 1 ähnlich dem von QSO (s.u.)

4. BL Lac Objekte (nach Prototyp benannt)

AGN mit stark variierender Strahlung

NGC 7742 (Seyfert-Galaxie)

beachte den strahlenden Kern und die Spiralstruktur

AGN-Typen

5. QSO (Quasi-Stellare Objekte) punktförmige Quellen mit sehr blauer U-B Farbe

ursprünglich gesucht, um optische Gegenstücke zu Quasaren zu finden; man fand aber noch viel mehr

viele sind Radio-ruhig

starke und breite Emissionslinien

hohe Rotverschiebung (keine in unserer "Umgebung")

(10-mal) häufiger als Quasar

weil so extrem leuchtkräftig, überstrahlen sie ihre Mutter ("host")-Galaxie

bei den schwächeren hat man mit HST die Galaxien gefunden

Quasare sitzen in Galaxien

HST hat nachgewiesen, dass Quasare in den Zentren von Galaxien sitzen

Physik und Struktur von AGNs

● Größe:– Variabilität: aus Zeitskala kann Obergrenze für Größe des betroffenen

Gebietes abgeschätzt werden, indem die Dauer des betreffenden Prozesses ignoriert und die Lichtgeschwindigkeit verwendet wird

– es ergeben sich für Zeitskalen von Tagen Größen von 0.001 bis 0.01 pc

– Schwarzschild-Radius für supermassive BHs von 10-7 bis 10-3 pc (106 bis 109 M⊙)

● Leuchtkraft-Quelle: Alternativen zu Schwarzen Löchern?

– Sterne: erfordert zu hohe Sterndichte, die nicht lange stabil sein würde

– Supernovae: benötigt 1010 Sterne, die SNe machen (permanent)

Die Energie-Quelle

● Standard-Annahme: Akkretion auf supermassives Schwarzes Loch

● Masse: 106 bis 109.5 M⊙

● akkretiert 10-4 bis 10 M⊙ pro Jahr aus einer Scheibe

● Jets und nicht-thermische Strahlung kommen von rotierender Magnetosphäre der Akkretionsscheibe

● Gravitations-Energie wird transformiert in thermische Energie und Strahlung

● Schematisches Bild:

Das "unified model" für AGNs

● Schwarzes Loch im Zentrum; 106 bis 1010 M⊙

● Akkretionsscheibe erstreckt sich bis 100-1000 RS; emittiert Röntgen,

EUV, UV, optisch, auch TeV-Elektronen● Broad-Line-Region: Wolken dichteren Gases, die mit bis zu 10.000 km/s

um das BH rotieren und bis 0.1..1 pc reichen; Emission von breiten Linien;

● Narrow-Line-Region: Wolken dünneren Gases bis einige pc; Emission der schmaleren Linien;

● Staub/Molekül-Torus mit innerem Radius von 1 pc und äußerem von 50-100 pc; IR-Emission

● Jets: Synchrotron-Strahlung über ganzes Spektrum; von 0.1 bis 106 pc● die unterschiedlichen AGN-Typen ergeben sich dann aus Blickwinkel

und Entwicklung/Typ der Host-Galaxie

ne≈109−1010 cm−3

ne105 c m−3

Superluminal Motion

● einige Radioquellen scheinen sich mit mehrfacher Überlichtgeschwindigkeit von der zentralen Quelle weg zu bewegen

● ist aber nur Folge der Projektion und einer intrinsisch relativistischen Geschwindigkeit (erklärbar wieder nur, wenn man nahe an einem Schwarzen Loch ist)

vapp= r

t=

v tes in

te1−cos

te: Zeitpunkt der Emission eines

weiteren Signals

=v/c =1/1−2