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

Astronomische Größenklassen: Definition des „Nullpunkts“ verschiedener Systeme

m = -2.5 log F + C

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

1,8-m-Teleskop des Earl of Rosse, erbaut1845 in Birr, Irland

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)

Mauna Kea – Observatorium, Hawaii

Keck2-Teleskop

Mauna Kea, Hawaii

Quelle: Homepage Keck Observatory

ESO VLT

Photo:ESO

VLT 2005

VLT

UT1

ESO VLT: 8.2m-Hauptspiegel

Atacama

Mars

VLT UT1 + FORS1

(Optisches Universalinstrument)

ISAAC (NIR Spektrograph und Kamera)

ESO VLT : Spiegeltransport

Kontrollgebäude

ESO VLT: Kontrollraum

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

CONICA am VLTAdaptive NIR-Kamera

Vergeich einerCONICA- undeinerHST-Aufnahme

von::www.eso.org

Interferometrie

ESO VLT

ESO VLT:FahrbaresinterferometrischesHilfsteleskop

ESO VLT-Interferometeroptische „Delay Line“

AMBER-Interferometer am ESO-VLT

Large Binocular Telescope (LBT)

LBT October 2005

LBT

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)

ZentralgebietderMilchstraße

NGC 4013

Seitenansicht einer Scheibengalaxie

NGC 1232Spiralgalaxie

S-Galaxie

E- Galaxie (mit „gelinster“Hintergrund-Galaxie)

Irr-Galaxie

Irr-Galaxie(Folge einerWechsel-wirkung)

NGC 3603Sternentstehungin der Milchstraße

NGC 6543Aufnahme: HST, NASA

PN-Phase amEnde der Entwicklungeines Sternsvon ca. einerSonnenmasse

„Krebsnebel“

Neutronenstern+ expandierendePlasmawolke

Überrest einerSupernova, dieim Jahre 1054beobachtet wurde

Aufnahme:FORS TeamESO

ZentralgebietderMilchstraße

Zentrum der Milchstaße MPI für extraterrestrischePhysik, Garching

FDF

QSO =>Q0103-260z = 3.365

Spektrum des Quasars Q0103-260

(Frank et al., A&A 407, 473 ( 2003))

Radiogalaxie (AGN)NGC 5128Einfang einer Gas +Staub – Galaxie durch eine E-Galaxie

ESO VLT, FORS Team

FORS Deep Field

FDF

Verteilung von Galaxien mit bekannten Entfernungen in einer Ebene (II zur GE).

=> Galaxien zeigen „schwammähnliche“ Verteilung, mit „Leerräumen“ und „Zellwänden“

Abell 370

ESOFORS Team

Galaxienhaufen

Coma-Galaxienhaufen

optisch Röntgenlicht

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)

NGC 2997Auch die Rotationskurven der Spiralgalaxien erfordern DM…

„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)

Masse-Energie-Bilanz graphisch: