Einführung in die

Astronomie und Astrophysik II

Teil 11

Jochen LiskeFachbereich Physik

Hamburger Sternwarte

jochen.liske@uni-hamburg.de

Wer? Alle an der UHH, die irgendwie mit Astro zu tun haben

Wo? Hamburger Sternwarte

Gojenbergsweg 112

21029 Hamburg

Wann? Donnerstag, 11. Juli 2019, 15:00

Was? Führung durch die Sternwarte, Kaltgetränke, Erhitzung

von Essbarem durch die Bestrahlung mit

Schwarzkörperstrahlung

Astro-Semester-Abschlussveranstaltung

Astronomische Nachricht der Woche

Themen

Interstellare Materie

Sternentstehung

Sternentwicklung

Exoplaneten

Die anderen „Boten“

Die Milchstraße

Galaxien

Aktive Galaktische Kerne

Intergalaktische Materie

Kosmologie

Active Galactic Nuclei (AGN) = „aktive“ Zentralbereiche

Aktive Kerne sind z.T. leuchtkräftiger als Muttergalaxie

Emissionen über weite Spektralbereiche: Röntgen, UV, optisch, IR,

Radio

F -, 1

Nicht-stellaren Ursprungs

Z.T. Jets

Variabilität auf Skalen von

Stunden und Tagen

Aktive Galaxienkerne

Typologie historisch bedingt und daher verwirrend

Mehrere Unterscheidungen:

Nach optischen Emissionslinien

• Breite Linien ( > ~1000 km/s): Typ 1

• Schmale Linien: Typ 2

Nach Leuchtkraft

• Schwach: Seyfert

• Stark: Quasar / QSO

Nach Radioemission

• Radiolaut

• Flaches oder steiles Spektrum

• Fanaroff-Riley class I+II

• Radioleise

Variabilität

• Blazar (Bl Lac, OVV)

Aktive Galaxienkerne

H

H

AGN Leuchtkräfte: L = 1013 − 1015 Lʘ innerhalb von D < 10 pc

Energieerzeugung durch Sterne?

> 1010 Sterne / pc3 notwendig

Völlig instabiles System

Einzig bekannte mögliche Energiequelle:

Schwarzes Loch + Akkretionsscheibe

Akkretionsscheibe: Gas fällt ins zentrale (rotierende) Schwarze Loch

Akkretions-Leuchtkraft:

= 0.5 RS / r = 0.057 (nicht rotierendes BH) – 0.42 (Kerr BH)

Erinnerung: H-Fusion: ΔE 0.007 Mc2

= 0.05 – 0.1, dM/dt = 1 – 20 Mʘ/yr LAGN > 1013 Lʘ

Aktive Galaxienkerne: Energieerzeugung

Aktive Galaxienkerne: Struktur

Aktive Galaxienkerne: Struktur

SMBH:

M 109 Mʘ RS 20 AU

Akkretionsscheibe:

r 10−3 pc, n 1021 m−3, v 0.3 c

Broad Line Region (BLR):

r 0.01 – 0.1 pc, n 1016 m−3,

v einige 103 km/s

Torus:

r 1 – 100 pc, n 109 – 1012 m−3

Narrow Line Region (NLR):

r 100 – 1000 pc, n 109 – 1012 m−3, v einige 100 km/s

Vereinheitlichung von Typ 1 und 2 AGN: gleiches Objekt, nur

andere Blickrichtung

Aber: Ursache für radiolaut / radioleise noch nicht vollständig geklärt

Gehören zu den leuchtkräftigsten Objekten im Universum

Relativ leicht bis zu z 6 zu beobachten

Sehr nützliches kosmologisches „Werkzeug“

Gravitationslinsen

Hintergrundquelle zur Beobachtung des intergalaktischen Mediums

(IGM)

Quasare

Raum zwischen Galaxien nicht völlig leer (vgl. ISM)

Sehr geringe Gasdichten: nIGM 1 m−3

Keine Emission, aber Absorption:

Lyman- Wald: Absorption der HI Ly Linie (Ly = 121.6 nm)

durch IGM-Strukturen (Cosmic Web) bei verschiedenen

Rotverschiebungen

IGM großteils ionisiert: nHI / nHII 10−5

Diverse Linien verschiedener Metalle verschiedener

Ionisationsstufen

Chemische Zusammensetzung, physikalische Eigenschaften,

Kinematik des IGM

Zusammenhang mit

Galaxienentwicklung (CGM)

Das intergalaktische Medium

Quasarspektrum

Fragen?

Themen

Interstellare Materie

Sternentstehung

Sternentwicklung

Exoplaneten

Die anderen „Boten“

Die Milchstraße

Galaxien

Aktive Galaktische Kerne

Intergalaktische Materie

Kosmologie

Wissenschaft vom Universum als Ganzes

Welche der 4 Fundamentalkräfte sind kosmologisch relevant?

Große Skalen Starke und Schwache Kernkraft

Universum elektrisch neutral Elektromagnetismus

Gravitation!

Kosmologie

Einsteins Feldgleichungen:

Gμν: Einstein Tensor „Geometrie“ / Metrik

Tμν: Energie-Impuls Tensor Quelle der Raumzeit-Krümmung

10 gekoppelte partielle, nicht-lineare Differentialgleichungen für die

Metrik

Masse / Energie sagt der Raumzeit, wie sie sich zu krümmen hat

Gekrümmte Raumzeit sagt der Masse / Energie, wie sie sich zu

bewegen hat

Allgemeine Relativitätstheorie

Für dieses Gleichungssystem gibt es für bestimmte Situationen

(Symmetrien) analytische Lösungen.

Schwarzschild Metrik

• Vakuum-Lösung außerhalb sphärischer Massenverteilung

Beschreibung von Planetenbahnen, Schwarzen Löchern

Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker Metrik

• Lösung für ein homogenes, isotropes Universum

Entwicklung des Universums, Kosmologie

Allgemeine Relativitätstheorie

Ausgangspunkt zur Anwendung der ART auf das Universum:

Kosmologisches Prinzip

Das Universum ist homogen (kein Ort ist besonders)

Metrik und T nur Funktion der Zeit

Das Universum ist isotrop (keine Richtung ist besonders)

Metrik und T haben nur Diagonalelemente

(im richtigen Koordinatensystem)

Maximale Symmetrie

Kosmologie

Kosmologisches Prinzip

Ausgangspunkt zur Anwendung der ART auf das Universum:

Kosmologisches Prinzip

Das Universum ist homogen (kein Ort ist besonders)

Metrik und T nur Funktion der Zeit

Das Universum ist isotrop (keine Richtung ist besonders)

Metrik und T haben nur Diagonalelemente

(im richtigen Koordinatensystem)

Maximale Symmetrie

Einstein-Gleichung wird durch Friedmann-Lemaître-Robertson-

Walker (FLRW) Metrik gelöst:

Von den ursprünglichen 10 Differentialgleichungen bleiben

nur 2 übrig Friedmann-Gleichung

Kosmologie

Kosmologie

Gekrümmte Räume

k = 1

k = 1

k = 0

Kosmologie

1920er Jahre: Edwin Hubble vermisst

Cepheiden im Andromeda-Nebel

Distanz >> DMW

1912: Vesto Slipher entdeckt die

systematische Rotverschiebung der

Spektren von Spiralnebeln

1929: Hubble kombiniert Sliphers

Rotverschiebungen mit seinen

Distanzmessungen:

Kosmologie: Historisches

Fundamentale Beobachtung: Lineare Beziehung zwischen

Entfernung und Rezessionsgeschwindigkeit:

v = H0 d (Hubblesches Gesetz)

Geburtsstunde der modernen Kosmologie

Kosmologie

Kosmologie

Modernes Hubble-Diagramm: H0 70 km/s/Mpc

Kosmologie

Kosmologie

Kosmologie

R(t)

Heute

M = 1

t

geschlossen

M > 1

offen M < 1

M = 0

- 14 - 9 - 7

Milliarden Jahre

Kosmologie

Zusammenfassung:

ART + Kosmologisches Prinzip FLRW-Metrik als Ansatz

+ 2 Friedmann Gleichungen (+ Zustandsgleichung)

Unbekannte: [R(t), k] und [i, wi] für alle Energiekomponenten i

Es gibt keine statische Lösung, auch nicht nach Modifikation der

Gleichungen (zumindest keine stabile) Einsteins „größte Eselei“

Kosmologie