51
Einführung in die Astronomie und Astrophysik II Teil 7 Jochen Liske Fachbereich Physik Hamburger Sternwarte [email protected]

Einführung in die Astronomie unf Astrophysik II - Teil 7 · Koordinaten Entfernung 3D ... a large-scale survey of Solar-system bodies (~250,000) Gaia: Parallaxe und Eigenbewegung

  • Upload
    hathien

  • View
    219

  • Download
    2

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Einführung in die Astronomie unf Astrophysik II - Teil 7 · Koordinaten Entfernung 3D ... a large-scale survey of Solar-system bodies (~250,000) Gaia: Parallaxe und Eigenbewegung

Einführung in die

Astronomie und Astrophysik II

Teil 7

Jochen LiskeFachbereich Physik

Hamburger [email protected]

Page 2: Einführung in die Astronomie unf Astrophysik II - Teil 7 · Koordinaten Entfernung 3D ... a large-scale survey of Solar-system bodies (~250,000) Gaia: Parallaxe und Eigenbewegung

Themen

Interstellare Materie

Sternentstehung

Sternentwicklung

Exoplaneten

Die anderen „Boten“

Die Milchstraße

Galaxien

Aktive Galaktische Kerne

Intergalaktische Materie

Kosmologie

Page 3: Einführung in die Astronomie unf Astrophysik II - Teil 7 · Koordinaten Entfernung 3D ... a large-scale survey of Solar-system bodies (~250,000) Gaia: Parallaxe und Eigenbewegung

Schmales, „milchiges“, mit bloßem

Auge nicht in einzelne Sterne

aufgelöstes, leuchtendes Band am

Himmel Milchstraße

Milchstraße = Milky Way (MW)

= Galaxis = Galaxie, in der sich das

Sonnensystem befindet

Extra/Galaktische Astronomie =

Forschung außer/innerhalb der

Milchstraße

Die Milchstraße

Page 4: Einführung in die Astronomie unf Astrophysik II - Teil 7 · Koordinaten Entfernung 3D ... a large-scale survey of Solar-system bodies (~250,000) Gaia: Parallaxe und Eigenbewegung

Basisdaten:

(1 – 3) x 1011 Sterne

MSterne 5 x 1010 M⨀

MGas 10% MSterne

MGesamt 1012 M⨀

Dunkle Materie

RScheibe 15 kpc

D(⨀-GZ) 8 kpc

Sonnensystem in der

galaktischen Scheibe

Strukturbestimmung

schwierig

Die Milchstraße: Überblick

Page 5: Einführung in die Astronomie unf Astrophysik II - Teil 7 · Koordinaten Entfernung 3D ... a large-scale survey of Solar-system bodies (~250,000) Gaia: Parallaxe und Eigenbewegung

Die Milchstraße: Überblick

Credit: ESA

Page 6: Einführung in die Astronomie unf Astrophysik II - Teil 7 · Koordinaten Entfernung 3D ... a large-scale survey of Solar-system bodies (~250,000) Gaia: Parallaxe und Eigenbewegung
Page 7: Einführung in die Astronomie unf Astrophysik II - Teil 7 · Koordinaten Entfernung 3D ... a large-scale survey of Solar-system bodies (~250,000) Gaia: Parallaxe und Eigenbewegung
Page 8: Einführung in die Astronomie unf Astrophysik II - Teil 7 · Koordinaten Entfernung 3D ... a large-scale survey of Solar-system bodies (~250,000) Gaia: Parallaxe und Eigenbewegung
Page 9: Einführung in die Astronomie unf Astrophysik II - Teil 7 · Koordinaten Entfernung 3D ... a large-scale survey of Solar-system bodies (~250,000) Gaia: Parallaxe und Eigenbewegung
Page 10: Einführung in die Astronomie unf Astrophysik II - Teil 7 · Koordinaten Entfernung 3D ... a large-scale survey of Solar-system bodies (~250,000) Gaia: Parallaxe und Eigenbewegung
Page 11: Einführung in die Astronomie unf Astrophysik II - Teil 7 · Koordinaten Entfernung 3D ... a large-scale survey of Solar-system bodies (~250,000) Gaia: Parallaxe und Eigenbewegung
Page 12: Einführung in die Astronomie unf Astrophysik II - Teil 7 · Koordinaten Entfernung 3D ... a large-scale survey of Solar-system bodies (~250,000) Gaia: Parallaxe und Eigenbewegung
Page 13: Einführung in die Astronomie unf Astrophysik II - Teil 7 · Koordinaten Entfernung 3D ... a large-scale survey of Solar-system bodies (~250,000) Gaia: Parallaxe und Eigenbewegung

Demokrit (460 – 371 v.Chr.)

Vermutung: Band am Himmel = Vielzahl weit

entfernter Sterne

Galileo (1564 – 1642)

Entdeckung (mit ersten Teleskopen, ab 1609):

Milchstraße = Ansammlung von Sternen

William Herschel (1738 – 1822)

Sternzensus: Milchstraße besteht aus mehr als

50.000 Sternen

Versuch, die Struktur der Galaxis abzuleiten,

mit folgenden Annahmen:

• Sterne sind gleichmäßig in der MW verteilt

• Alle Sterne werden detektiert

• Keine interstellare Extinktion

Milchstraße ist eine linsenförmige

Ansammlung von Sternen

Historisches

William Herschel

Galileo Galilei

Page 14: Einführung in die Astronomie unf Astrophysik II - Teil 7 · Koordinaten Entfernung 3D ... a large-scale survey of Solar-system bodies (~250,000) Gaia: Parallaxe und Eigenbewegung

Herschels Sternzahlkarte:

Historisches

Page 15: Einführung in die Astronomie unf Astrophysik II - Teil 7 · Koordinaten Entfernung 3D ... a large-scale survey of Solar-system bodies (~250,000) Gaia: Parallaxe und Eigenbewegung

Jacobus Kapteyn (1851 − 1922)

Analyse von Helligkeiten,

Spektraltypen,

Radialgeschwindigkeiten,

Eigenbewegungen in 206

verschiedenen Himmelsfeldern

Linsenform der Milchstraße:

a 10 kpc

Sonne in der Nähe des

Zentrums: (r 650 pc, h 40 pc)

Entdeckt erste Anzeichen

Galaktischer Rotation

Historisches

Page 16: Einführung in die Astronomie unf Astrophysik II - Teil 7 · Koordinaten Entfernung 3D ... a large-scale survey of Solar-system bodies (~250,000) Gaia: Parallaxe und Eigenbewegung

Harlow Shapley (1885 − 1972)

Verwendung von Veränderlichen zur

Entfernungsbestimmung

a 100 kpc

Sonne weit entfernt vom Zentrum:

d 15 kpc

Vertritt „Big-Galaxy“-Idee (Galaxis =

Universum) in „Großer Debatte“ (1920)

mit Heber Curtis

Durch Hubbles Beobachtungen 1923

zugunsten von „Weltinseln“-Theorie

entschieden

Walter Baade (1893 – 1960)

Erforscht Struktur der Milchstraße mit

1-m Spiegel der Hamburger Sternwarte

(1919 – 1931)

Historisches

Page 17: Einführung in die Astronomie unf Astrophysik II - Teil 7 · Koordinaten Entfernung 3D ... a large-scale survey of Solar-system bodies (~250,000) Gaia: Parallaxe und Eigenbewegung

Johannes Hartmann (1865 – 1936):

Entdeckt die interstellare Materie

anhand der CaII K Linie im Spektrum

des Sterns Orionis

Jan Oort (1900 – 1992):

Bestätigt die Hypothese der

differentiellen Rotation

Historisches

Page 18: Einführung in die Astronomie unf Astrophysik II - Teil 7 · Koordinaten Entfernung 3D ... a large-scale survey of Solar-system bodies (~250,000) Gaia: Parallaxe und Eigenbewegung

Die vollständige Beschreibung

der (dynamischen) Struktur der

Milchstraße ist nur durch eine

Durchmusterung im 6D

Phasenraum möglich:

3D Ortsraum

Koordinaten

Entfernung

3D Impulsraum

Eigenbewegung

(Tangentialgeschwindigkeit)

Radialgeschwindigkeit

Erschließung der Struktur der MW

Page 19: Einführung in die Astronomie unf Astrophysik II - Teil 7 · Koordinaten Entfernung 3D ... a large-scale survey of Solar-system bodies (~250,000) Gaia: Parallaxe und Eigenbewegung

Galaktische Koordinaten

Definition:

Grundkreis = Ebene der Milchstraße

Breite: b []

„Nordpol“: +90

Länge: l []

Galaktisches Zentrum: 0

1958: Festlegung des Galaktisches

Zentrums: α = 17 h 42.4 min, δ = −28.92

Tatsächliches Zentrum (Radioquelle

Sagittarius A*) ist um 0.07 versetzt

Neigung der galaktischen Ebene

zum Himmelsäquator: 62.6

Verwendung für großflächige

Durchmusterungen (sowohl

galaktische als auch

extragalaktische)

Page 20: Einführung in die Astronomie unf Astrophysik II - Teil 7 · Koordinaten Entfernung 3D ... a large-scale survey of Solar-system bodies (~250,000) Gaia: Parallaxe und Eigenbewegung
Page 21: Einführung in die Astronomie unf Astrophysik II - Teil 7 · Koordinaten Entfernung 3D ... a large-scale survey of Solar-system bodies (~250,000) Gaia: Parallaxe und Eigenbewegung

Galaktische Koordinaten

ESO / Serge Brunier

b

l

Page 22: Einführung in die Astronomie unf Astrophysik II - Teil 7 · Koordinaten Entfernung 3D ... a large-scale survey of Solar-system bodies (~250,000) Gaia: Parallaxe und Eigenbewegung

Die 3D Geschwindigkeit eines

Objekts kann durch Projektion in

2 Komponenten zerlegt werden:

Tangentialgeschwindigkeit vt

Bewirkt Eigenbewegung

= Positionsänderung an der

Himmelskugel (Winkelgeschw.)

Nur durch wiederholte astro-

metrische Beobachtungen über

längere Zeiträume messbar

Radialgeschwindigkeit vr

Durch Dopplereffekt direkt

beobachtbar (Spektroskopie)

Geschwindigkeiten

Page 23: Einführung in die Astronomie unf Astrophysik II - Teil 7 · Koordinaten Entfernung 3D ... a large-scale survey of Solar-system bodies (~250,000) Gaia: Parallaxe und Eigenbewegung

Entfernungsbestimmung

Trigonometrische Parallaxe

Direkte Entfernungsbestimmung

Parallaxwinkel π: sin(π) = a/r ≈ π

(für r ≫ a)

Definition der Längenmaßeinheit

Parallaxensekunde = Parsec = pc:

a = 1 AU (~150 x 106 km)

π = 1”

r ≡ 1 pc = 3.26 Lj = 30.9 x 1012 km

Nur für relativ nahe Sterne

Allerdings: Gaia: astrometrische

Präzision von 20 as (V = 15 mag)!

Page 24: Einführung in die Astronomie unf Astrophysik II - Teil 7 · Koordinaten Entfernung 3D ... a large-scale survey of Solar-system bodies (~250,000) Gaia: Parallaxe und Eigenbewegung

Dynamische Parallaxe

Bezeichnet alle Situationen, in denen

Dynamik Entfernung

Einfachstes Beispiel: Systeme, in

denen sowohl als auch vr gemessen

werden kann und eine Beziehung

zwischen vr und vt angenommen

werden kann

Komplizierteres Beispiel:

Bedeckungsveränderliche:

Photometrie + Spektroskopie Teff,

R, M absolute Helligkeiten

Entfernung

Entfernungsbestimmung

Page 25: Einführung in die Astronomie unf Astrophysik II - Teil 7 · Koordinaten Entfernung 3D ... a large-scale survey of Solar-system bodies (~250,000) Gaia: Parallaxe und Eigenbewegung

Sternstromparallaxe

Sternhaufen: gemeinsame Bewegung

(relativ zum Beobachter) aller

Mitglieder Konvergenzpunkt

= Winkel zwischen Sternhaufen und

Konvergenzpunkt

<vt>= <vr> tan() = <> d

d = <vr> / <> tan()

Entfernungsbestimmung

Page 26: Einführung in die Astronomie unf Astrophysik II - Teil 7 · Koordinaten Entfernung 3D ... a large-scale survey of Solar-system bodies (~250,000) Gaia: Parallaxe und Eigenbewegung

Entfernungsmodul

m − M = 5 log(d/pc) – 5 + A(d)

Absolute Helligkeit z.B. aus Spektralklasse-Leuchtkraft-Beziehung

(= spektroskopische Parallaxe)

Interstellare Extinktion A(d) muss bekannt sein

Ungenau für Einzelsterne

Besser: Sternhaufen

Vergleich des

beobachteten FHD

mit absolut

geeichtem

Entfernungsbestimmung

Page 27: Einführung in die Astronomie unf Astrophysik II - Teil 7 · Koordinaten Entfernung 3D ... a large-scale survey of Solar-system bodies (~250,000) Gaia: Parallaxe und Eigenbewegung

Standardkerzen

Z.B. Cepheiden = streng periodische

Pulsationsveränderliche

Riesensterne, mehrere Subtypen

Amplituden: < 2 mag, Perioden: 1 – 130 d

Empirische Leuchtkraft-Periode-

Beziehung: L Pn, n 1.1

M = -2.8 log (P/1d) – 1.4

Entfernungsbestimmung

Henrietta Swan Leavitt (1868 – 1921)

Page 28: Einführung in die Astronomie unf Astrophysik II - Teil 7 · Koordinaten Entfernung 3D ... a large-scale survey of Solar-system bodies (~250,000) Gaia: Parallaxe und Eigenbewegung

Entfernungsbestimmung

Entf

ern

ungsle

ite

r

Vor Gaia!

Page 29: Einführung in die Astronomie unf Astrophysik II - Teil 7 · Koordinaten Entfernung 3D ... a large-scale survey of Solar-system bodies (~250,000) Gaia: Parallaxe und Eigenbewegung

Entfernungsbestimmung

Page 30: Einführung in die Astronomie unf Astrophysik II - Teil 7 · Koordinaten Entfernung 3D ... a large-scale survey of Solar-system bodies (~250,000) Gaia: Parallaxe und Eigenbewegung

Die vollständige Beschreibung

der (dynamischen) Struktur der

Milchstraße ist nur durch eine

Durchmusterung im 6D

Phasenraum möglich:

3D Ortsraum

Koordinaten

Entfernung

3D Impulsraum

Eigenbewegung

(Tangentialgeschwindigkeit)

Radialgeschwindigkeit

Erschließung der Struktur der MW

Page 31: Einführung in die Astronomie unf Astrophysik II - Teil 7 · Koordinaten Entfernung 3D ... a large-scale survey of Solar-system bodies (~250,000) Gaia: Parallaxe und Eigenbewegung

Gaia: 6D Vermessung der Milchstraße

Page 34: Einführung in die Astronomie unf Astrophysik II - Teil 7 · Koordinaten Entfernung 3D ... a large-scale survey of Solar-system bodies (~250,000) Gaia: Parallaxe und Eigenbewegung

Gaia Astrometry (G < 20 mag):

completeness to 20 mag (on-board detection) 109 stars

accuracy: 26 μarcsec at G=15 mag (Hipparcos: 1 milliarcsec at 9 mag)

scanning satellite, two viewing directions

global accuracy, with optimal use of observing time

principle: global astrometric reduction (as for Hipparcos)

Photometry (G < 20 mag):

astrophysical diagnostics (low-dispersion photometry) + chromaticity

Teff ~ 100 K, log g, [Fe/H] to 0.2 dex, extinction (at G=15 mag)

Radial velocity (GRVS < 16 mag):

accuracy: 15 km s-1 at GRVS=16 mag

application:

• third component of space motion, perspective acceleration

• dynamics, population studies, binaries

• spectra for GRVS < 12 mag: chemistry, rotation

principle: slitless spectroscopy in Ca triplet (845-872 nm) at R = ~10,800

Credit: ESA / Gaia

Page 35: Einführung in die Astronomie unf Astrophysik II - Teil 7 · Koordinaten Entfernung 3D ... a large-scale survey of Solar-system bodies (~250,000) Gaia: Parallaxe und Eigenbewegung

Gaia: stellar astrophysicsCredit: ESA / Gaia

Comprehensive luminosity calibration, for example:

distances to 1% for ~10 million stars to 2.5 kpc

distances to 10% for ~100 million stars to 25 kpc

rare stellar types and rapid evolutionary phases in large numbers

parallax calibration of all distance indicators

e.g., Cepheids and RR Lyrae to LMC/SMC

Physical properties, for example:

clean Hertzsprung–Russell diagrams throughout the Galaxy

Solar-neighbourhood mass and luminosity function

e.g., white dwarfs (~400,000) and brown dwarfs (~500)

initial mass and luminosity functions in star-forming regions

luminosity function for pre-main-sequence stars

detection and dating of all spectral types and Galactic populations

detection and characterisation of variability for all spectral types

Page 36: Einführung in die Astronomie unf Astrophysik II - Teil 7 · Koordinaten Entfernung 3D ... a large-scale survey of Solar-system bodies (~250,000) Gaia: Parallaxe und Eigenbewegung

Gaia: 109 stars in 6DCredit: ESA / Gaia

Will provide in our Galaxy:

the distance and velocity distributions of all stellar populations

the spatial and dynamic structure of the disk and halo

its formation history

a detailed mapping of the Galactic dark-matter distribution

a rigorous framework for stellar-structure and evolution theories

a large-scale survey of extra-solar planets (~7,000)

a large-scale survey of Solar-system bodies (~250,000)

Page 37: Einführung in die Astronomie unf Astrophysik II - Teil 7 · Koordinaten Entfernung 3D ... a large-scale survey of Solar-system bodies (~250,000) Gaia: Parallaxe und Eigenbewegung

Gaia: Parallaxe und Eigenbewegung

Credit: ESA

Page 38: Einführung in die Astronomie unf Astrophysik II - Teil 7 · Koordinaten Entfernung 3D ... a large-scale survey of Solar-system bodies (~250,000) Gaia: Parallaxe und Eigenbewegung

Fragen?

Page 39: Einführung in die Astronomie unf Astrophysik II - Teil 7 · Koordinaten Entfernung 3D ... a large-scale survey of Solar-system bodies (~250,000) Gaia: Parallaxe und Eigenbewegung

Scheibenstruktur lässt auf großskalige Rotation schließen

(Jacobus Kapteyn, Bertil Lindblad, Jan Oort)

Sterne in koplanaren, kreisförmigen Umlaufbahnen um das

Galaktische Zentrum

Umlaufgeschwindigkeit nur Funktion des galaktozentrischen

Abstands differentielle Rotation

Sonnensystem Teil der galaktischen Scheibe

DGZ 8 kpc, RScheibe 15 kpc

Rekonstruktion des galaktischen Rotationsgeschwindigkeitsfelds

nicht trivial

Wesentlich einfacher für andere Galaxien (Außenansicht)

Back to basics: Rotation der Milchstraße

Page 40: Einführung in die Astronomie unf Astrophysik II - Teil 7 · Koordinaten Entfernung 3D ... a large-scale survey of Solar-system bodies (~250,000) Gaia: Parallaxe und Eigenbewegung

Rekonstruktion der differentiellen Rotation aus Geschwindigkeiten

relativ zur Sonne:

Typische Werte in Sonnenumgebung: vrel 20 − 40 km/s

Geordnete Rotationsbewegung

Rotation der Milchstraße

Page 41: Einführung in die Astronomie unf Astrophysik II - Teil 7 · Koordinaten Entfernung 3D ... a large-scale survey of Solar-system bodies (~250,000) Gaia: Parallaxe und Eigenbewegung

Rotation der Milchstraße

Page 42: Einführung in die Astronomie unf Astrophysik II - Teil 7 · Koordinaten Entfernung 3D ... a large-scale survey of Solar-system bodies (~250,000) Gaia: Parallaxe und Eigenbewegung

Rotation der Milchstraße

Page 43: Einführung in die Astronomie unf Astrophysik II - Teil 7 · Koordinaten Entfernung 3D ... a large-scale survey of Solar-system bodies (~250,000) Gaia: Parallaxe und Eigenbewegung

Rotation der Milchstraße

Page 44: Einführung in die Astronomie unf Astrophysik II - Teil 7 · Koordinaten Entfernung 3D ... a large-scale survey of Solar-system bodies (~250,000) Gaia: Parallaxe und Eigenbewegung

Rotation der Milchstraße

Page 45: Einführung in die Astronomie unf Astrophysik II - Teil 7 · Koordinaten Entfernung 3D ... a large-scale survey of Solar-system bodies (~250,000) Gaia: Parallaxe und Eigenbewegung

Rotation der Milchstraße

Page 46: Einführung in die Astronomie unf Astrophysik II - Teil 7 · Koordinaten Entfernung 3D ... a large-scale survey of Solar-system bodies (~250,000) Gaia: Parallaxe und Eigenbewegung

Rotation der Milchstraße

Page 47: Einführung in die Astronomie unf Astrophysik II - Teil 7 · Koordinaten Entfernung 3D ... a large-scale survey of Solar-system bodies (~250,000) Gaia: Parallaxe und Eigenbewegung

Rotation der Milchstraße

Page 48: Einführung in die Astronomie unf Astrophysik II - Teil 7 · Koordinaten Entfernung 3D ... a large-scale survey of Solar-system bodies (~250,000) Gaia: Parallaxe und Eigenbewegung

Rotation der Milchstraße

l’ = 90 -

r = -d cos(l)

Oortsche Konstanten:

Page 49: Einführung in die Astronomie unf Astrophysik II - Teil 7 · Koordinaten Entfernung 3D ... a large-scale survey of Solar-system bodies (~250,000) Gaia: Parallaxe und Eigenbewegung

Rotation der Milchstraße

vKepler r-1/2

Page 50: Einführung in die Astronomie unf Astrophysik II - Teil 7 · Koordinaten Entfernung 3D ... a large-scale survey of Solar-system bodies (~250,000) Gaia: Parallaxe und Eigenbewegung

Ähnliche Ergebnisse auch für andere Galaxien:

Rotationskurven von Galaxien

Page 51: Einführung in die Astronomie unf Astrophysik II - Teil 7 · Koordinaten Entfernung 3D ... a large-scale survey of Solar-system bodies (~250,000) Gaia: Parallaxe und Eigenbewegung

Gesamtmasse innerhalb von r < rʘ: M(r < rʘ) 5 x 1010 Mʘ

Masse aller Sterne: M*(r < rʘ) (2 − 3) x 1010 Mʘ

Aus flacher Rotationskurve: M(r < 20 kpc) > 1011 Mʘ

Weit größer als stellare Komponente Dunkle Materie

Abschätzung der Gesamtmasse der Galaxie (z.B. mit Schnellläufern

wie Barnards Pfeilstern, vpekuliar > 100 km/s):

MGalaxis (0.8 – 4) x 1012 Mʘ

Massenverteilung der Galaxis