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Einführung in die
Astronomie und Astrophysik II
Teil 7
Jochen LiskeFachbereich Physik
Hamburger [email protected]
Themen
Interstellare Materie
Sternentstehung
Sternentwicklung
Exoplaneten
Die anderen „Boten“
Die Milchstraße
Galaxien
Aktive Galaktische Kerne
Intergalaktische Materie
Kosmologie
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
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
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
Herschels Sternzahlkarte:
Historisches
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
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
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
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
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)
Galaktische Koordinaten
ESO / Serge Brunier
b
l
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
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)!
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
Sternstromparallaxe
Sternhaufen: gemeinsame Bewegung
(relativ zum Beobachter) aller
Mitglieder Konvergenzpunkt
= Winkel zwischen Sternhaufen und
Konvergenzpunkt
<vt>= <vr> tan() = <> d
d = <vr> / <> tan()
Entfernungsbestimmung
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
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)
Entfernungsbestimmung
Entf
ern
ungsle
ite
r
Vor Gaia!
Entfernungsbestimmung
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
Gaia: 6D Vermessung der Milchstraße
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
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
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)
Gaia: Parallaxe und Eigenbewegung
Credit: ESA
Fragen?
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
Rekonstruktion der differentiellen Rotation aus Geschwindigkeiten
relativ zur Sonne:
Typische Werte in Sonnenumgebung: vrel 20 − 40 km/s
Geordnete Rotationsbewegung
Rotation der Milchstraße
Rotation der Milchstraße
Rotation der Milchstraße
Rotation der Milchstraße
Rotation der Milchstraße
Rotation der Milchstraße
Rotation der Milchstraße
Rotation der Milchstraße
Rotation der Milchstraße
l’ = 90 -
r = -d cos(l)
Oortsche Konstanten:
Rotation der Milchstraße
vKepler r-1/2
Ähnliche Ergebnisse auch für andere Galaxien:
Rotationskurven von Galaxien
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