Kosmogonie - Physikalischer Verein...• Die Anzahl von Satelliten-Galaxien, ihre Eigenschaften und ihr Zusammenhang zur Kosmologie wurde simuliert. ... heißes interstellares Gas

Kosmogonie

Galaxien

Klassifikationund

Entwicklung

ILLUSTRIS-Simulation• 2014 wird das internationale

Illustris-Projekt zur Simulation der Galaxien-Entwicklung abgeschlossen.

• Insgesamt wurden 19 Millionen CPU-Stunden in 3 Rechenzentren aufgewandt

– Curie Supercomputer bei CEA Frankreich

– SuperMUC im Leibnitz Computing Center München

– Supercomputer beim MIT USA

• Des Gehalt an Gas im Universum wurde ermittelt.

• Die Anzahl von Satelliten-Galaxien, ihre Eigenschaften und ihr Zusammenhang zur Kosmologie wurde simuliert.

© Dr. R. Göhring [email protected] V-2

© Dr. R. Göhring [email protected] VI-3

Kosmologie im 19. und frühen 20. Jahrhundert

Kant - Wright‘sche Weltbild (Epikureisches Welt-

bild)

• Inspiriert durch das Buch von Thomas Wright: An Original

Theory of the Universe (1750) veröffentlicht Kant sein Buch

Allgemeine Naturgeschichte und Theorie des Himmels

(1755).

• Sonnensystem ist Teil der Milchstraße.

• Sonnensystem ist im Zentrum der Milchstraße (erst 1918

durch H.Shapely widerlegt).

• Die „Nebel“ sind wie die Milchstraße „Welten-Inseln“

• Weltall ist unendlich.

• Ideen zur Entstehung von Planetensystemen aus Gasnebeln

(ohne Rotation)Quelle: Wikipedia


Kosmologie im 19. und frühen 20. Jahrhundert

Kant – Laplace‘sche Weltbild (Weltbild der Stoiker)

• Laplace beschreibt in seinem Buch Exposition du systeme du monde(1796) die Entstehung von Planetensystemen aus rotierenden Gasnebeln.

• Die (alle) „Nebel“ sind primordiale Planetensysteme.

• Es gibt nur eine „Welten-Insel“, unsere Milchstraße.

• Dieses Weltbild wurde bestärkt durch die Entdeckung der Spiralstruktur von M51 1845 durch William Person (Earl of Rosse) – als Beweis eines entstehenden Planetensystems.

• Das Universum ist statisch.

• Es war das beherrschende kosmologische Modell im 19. und frühen 20. Jahrhundert.

Quelle: Wikipedia


Edwin Hubble (1889 – 1953)

Quelle: Archives, California Institute of Technology Quelle: http://odin.physastro.mnsu.edu/~eskridge/astr101/week13.html

Hubble konnte 1922 u.a. im Andromedanebel einzelne Sterne – auch Cepheiden – auflösen

und damit zeigen, daß die „Nebel“ Galaxien sind, vergleichbar der Milchstraße.


Expansion des Universums

• Einstein ging in seinen frühen

kosmologischen Arbeiten noch von einem

statischen, unendlichen aber mit endlicher

Masse versehenen Universum aus.

• Um ein statisches Universum zu

gewährleisten, mußte er das Lambda-Glied in

seine Formeln einführen.

• Edwin Hubble veröffentlichte 1929 seine

Entdeckung der Rotverschiebung der

Galaxien und damit die Expansion des

Universums.

• Aber erst 1930 ließ sich Einstein davon

überzeugen, daß das Universum nicht

statisch ist.

Quelle: http://astronomy-links.net/einsteinmindastronomy.htm


Elliptische Galaxien (E-Typen)

Quellen: Wikipedia/HST/NASA/ESAC

M 60

Typ E2

M 59

Typ E5

M 87

Typ E0


S0 (linsenförmige) Galaxien

NGC 5866 S0 Centaurus A S0 NGC 1316 S0

Quellen: Wikipedia/HST/NASA/ESA

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/5/5c/File-Ngc5866_hst_big.pnghttp://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/e/e5/Centaurus_A.jpg


Spiralgalaxien

M 51 Sb

M 81 Sa

Quellen: Wikipedia/HST/NASA/ESA

M 74 Sc

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/d/db/Messier51_sRGB.jpghttp://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/c/ce/M81hub.jpghttp://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/6/6a/NGC_628.jpg


Balkengalaxien

NGC 1300 SBb

NGC 2903 SBdNGC 2536 SBc

Quellen: Wikipedia

NGC 1512 SBab

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/5/52/Hubble2005-01-barred-spiral-galaxy-NGC1300.jpghttp://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/0/04/NGC_2903_GALEX.jpghttp://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/f3/NGC_2535SST.jpghttp://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/6/65/Ngc1512_nasajpl.jpg


Galaxien in unterschiedlichen Wellenlängen

Galaxie NGC 1512

Quelle: NASA/HST

Aufnahme in UV Zentrum imsichtbaren Licht


Charakteristika von Galaxien

• Leuchtkraft:ist die abgestrahlte Energie pro Zeiteinheit; entweder über den gesamten Spektralbereich oder in verschiedenen Wellenlängenbereichen gemessen (dazu muß die Entfernung bekannt sein).

• Masse:auch hierfür muß die Entfernung bekannt sein; unterschieden werden muß in leuchtende Materie und Dunkle Materie.

• Radius:unterschieden wird in scheinbaren und absoluten Radius; für den absoluten Radius muß die Entfernung bekannt sein.

• Bewegungsenergie der Sterne:ist ein Maß für den „Innendruck“ des Sternsystems; er wirkt gegen die Gravitation und hält das System formstabil.

• Drehimpuls:er errechnet sich aus Masse, Bahngeschwindigkeit und Bahnradius; damit steht die Rotationskurve in Zusammenhang.

• Chemische Zusammensetzung:sie gibt Auskunft über den Entwicklungszustand der Galaxie.


Sternpopulationen in Galaxien

• Optische Farbe rot:

Scheibenpopulation I und II

• Optische Farbe blau:

Junge Sternpopulation I in den

Spiralarmen aufgenommen im

UV-Bereich.

• Optische Farbe gelb.

Alte Sternpopulation II im

Zentralkörper der Galaxie.

Quelle: UIT/NASA

M 74 Sc


Abhängigkeit der Flächenhelligkeit vom Radius

Quelle: http://www.astro.physik.uni-goettingen.de/


Halo

• Im annähernd kugelförmigen Halo von Galaxien findet man Kugelsternhaufen, einzelne Sterne, heißes interstellares Gas und vermutlich auch schwarze Löcher.

• Das heiße Gas – mehrere Millionen Grad heiß – strahlt im Röntgenlicht. Darin lassen sich die Elemente aus früheren Supernovae nachweisen.

Quelle: http://www.mpe.mpg.de/xray/wave/rosat/gallery/calendar/2001/jul.phpQuelle: http://www.noao.edu/outreach/aop/observers/m104wade.jpg

M 104

../Bilder/M 87.jpghttp://www.noao.edu/outreach/aop/observers/m104wade.jpg


Rotation in Scheibengalaxien Tully-Fisher-Relation

• Brent Tully und Richard Fisher entdeckten einen interessanten Zusammenhang zwischen der Leuchtkraft L und der maximalen Rotationsgeschwindigkeit von Galaxien:

L ~ (vmax)b

• Die Größe b hängt von der Wellenlänge ab, unter der die Galaxie beobachtet wird.

• Der Zusammenhang läßt sich leicht plausibel machen. Je mehr Sterne eine Galaxie hat, um so größer ist die Summe der Leuchtkraft der einzelnen Sterne und damit der Galaxie; je massereicher die Galaxie ist, um so schneller muß sie rotieren, damit sie im Gleichgewicht bleibt.

• Die Tully-Fisher-Relation ist ein wichtiges Hilfsmittel zur Entfernungsbestimmung in der Kosmologie.

Quelle: R. Bottema, http://arxiv.org/pdf/astro-ph/0204344


Dynamik Spiralarme

• Spiralarme in Galaxien bestehen nicht aus immer den selben Sternen, sondern sind das Ergebnis von Dichtewellen.

• Man kann sich das so vorstellen, daß die Bahnen der Sterne um das Zentrum der Galaxie keine Kreise sondern Ellipsen sind, deren Hauptachsen gegeneinander geneigt sind.

• Dadurch entstehen lokale Verdichtungen, die ein etwas erhöhtes Gravitationspotential erzeugen.

• Die Theorie der Dichtewellen wurde 1925 von Lindblad entwickelt aber wenig beachtet.

• P.P. Lin und F.H. Shu bauten die Theorie als Kontinuumstheorie aus; obwohl viele Fragen offen bleiben, ist das die gängige Vorstellung über die Dynamik der Spiralarme.

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/8/8a/Spiral_galaxy_arms_diagram.svg


Dynamik Spiralarme

(nach W.W. Roberts, 1968)

Stoßfront

• Nach der Theorie von Lin und Shu läuft die Spiralstruktur – Dichtewelle – mit konstanter Winkelgeschwindigkeit p um.

• Für unsere Milchstraße ergibt sich aus Beobachtungen

p ≈ 13,5 km s-1 kpc-1.

Die Winkelgeschwindigkeit der Sterne unserer Umgebung ist

w0 = 26 km s-1 kpc-1;

Die Dichtewelle läuft demnach mit der halben Sterngeschwindigkeit um.

• Von „hinten“ laufen die Sterne und der interstellare Staub in das verdichtete (etwa 5 %) Gebiet der Dichtewelle ein und es bildet sich eine Stoßfront.

• Dadurch werden Jeans-Instabilitäten und damit die Bildung junger Sterne begünstigt.

• An der konvexen Seite der Stoßfront bildet sich ein schmales Band heller blauer Sterne, an das sich ein breiterer Bereich älterer Sterne und Sternhaufen anschließt.

• Die alten Sterne der Scheibe sind nahezu gleichförmig verteilt.


Balkengalaxien

Der Balken in diesen Galaxien entsteht durchInstabilitäten in der Sternscheibe. Sie bildensich entweder spontan in der rotierendenScheibe oder werden durch Gezeitenkräfteerzeugt, die durch Wechselwirkungen mitvorbeiziehenden Galaxien hervorgerufenwerden.

Die Form des Balkens bleibt über lange Zeiterhalten und er rotiert starr mit geringerer Winkelgeschwindigkeit als die generelleRotationsgeschwindigkeit.

Die Sterne im Balken führen komplizierte Bahnformen aus; es sind stark gestreckte, nichtgeschlossene Ellipsenbahnen entweder parallel oder senkrecht zum Balken. Obwohl rechtstabil kann der Balken verschwinden und wieder entstehen. Staub und Massen im Haloder Galaxie haben großen Einfluß auf Form und Entwicklung des Balkens.

Balkengalaxien sind relativ häufig und man schätzt, daß 75 % aller Scheibengalaxien Balkenhaben.

Mit numerischen Modellrechnungen des entsprechenden N-Körper-Problems versucht manmomentan die Randbedingungen für die Entstehung, Stabilität und Entwicklung von Balken-galaxien zu ergründen.

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/5/52/Hubble2005-01-barred-spiral-galaxy-NGC1300.jpg


Dynamik in elliptischen Galaxien

Quelle: Wikipedia

Ngc 1316 Elliptische Galaxien haben keine geord-neten Sternbewegungen wie die Spiral-galaxien. Eine ungleichförmige Streuungder Geschwindigkeit und Bahnverteilung garantieren die Form.

Die Stabilität zeigt sich in der Größe derRelaxationszeit trelax:

relax cross

Nt t

lnN=

Die Relaxationszeit trelax ist ist die Zeit, in der ein Stern durch Zweier-Stößeseine Richtung um 90o ändert. tcross istdie Zeit zum Durchqueren der Galaxie,N ist die Anzahl der Sterne.

Für eine charakteristische elliptische

Galaxie ist

tcross ≈ 108 a,

N ≈ 1012 (ln N ≈ 30).

Die Relaxationszeit trelax ist demnach

= 3·1018 Jahre, länger als das Welt-

alter.


Zentrum der Milchstraße im Sternbild Schütze


Supermassives Schwarzes Loch im Zentrum der Milchstraße

• Sgr A* (Sagittarius A*) im Zentrum

unserer Milchstraße ist eine starke

Radioquelle.

• Man geht davon aus, daß es sich dabei

um ein supermassives schwarzes Loch

handelt mit einer Masse von ca. 4,3 Mio.

Sonnenmassen und einem Radius von ca.

1,1·107 km, entspr. ca. 1700 Erdradien.

• Es wurde ein Stern – S2 – entdeckt, der

Sgr A* umrundet und sich dabei dem

schwarzen Loch bis auf 17 Lichtstunden

(ca. 109 km) nähert.

• Sgr A* wird von weiteren, kleineren

schwarzen Löchern umkreist, darunter

IRS 13; sie entstanden in der Peripherie

der Milchstraße, bewegten sich ins

Zentrum und wurden von Sgr A*

eingefangen.

Quelle: http://chandra.harvard.edu/photo/2001/sgr_a/sgr_a_label.jpg

../Filme/SMBH Sagittarius.mpg


Aktive Galaxienkerne (Active galaxy nuclei AGN)

Quelle: Wikipedia

Radiojet

Zentrales schwarzesLoch

Gas- und Staubtorus

Blazar

Quasar/Seyfert 1

Radiogalaxie/Seyfert 2

Der Name Blazar leitet sich vom erstenObjekt dieser Klasse ab: BL Lac imSternbild Lacerta (Eidechse)

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/9/9e/Gb1508_illustration.jpg


„Minor Merger“ Sagittarius-Zwerggalaxie


„Major mergers“ – Kollision ähnlich großer Galaxien

Quelle: Wikipedia

Arp 147

Quelle: Weilbacher et al., 2002

„Dentist`s chair“


NGC 4676A+B (Mäusegalaxien)

Quelle: Wikipedia

Die Kollision fand vor ca. 150 Millionen Jahren statt; in ca. 400 Millionen Jahren werden beide

zusammen zu einer elliptischen Galaxie.


Hickson Compact Group 87

Quelle: Wikipedia

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/9/92/Hickson_Compact_Group_87_.jpg


Verschmelzen von Galaxien

Quelle: http://www.aip.de/groups/galaxies/galform/gallery.html Quelle: http://www.mpa-garching.mpg.de/galform/data_vis/index.shtml

../Filme/andromeda.mpg../Filme/galaxy collission.avi../Filme/andromeda.mpg../Filme/andromeda.mpg


Klassifikation von Galaxienhaufen (Rood-Sastry)

Quelle: Wikipedia

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/1/1b/RS_classific_cluster.png


Nachweis Dunkler Materie (Bullet Cluster)

• Durch den Effekt der Gravitationslinsen läßt sich Dunkle Materie innerhalb von

Galaxienhaufen nachweisen: blaue Bereiche im linken Bild, Dichtekonturen als grüne

Linien im rechten Bild.

• Durch die Kollision wird das intergalaktische Gas zwischen den Haufengalaxien stark

aufgeheizt und strahlt im Röntgenlicht.

Quele: Wikipedia

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/6/65/Bullet_cluster_lensing.jpghttp://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/1/16/060821_darkmatter.jpg


Abell 1689

Galaxienhaufen und Dunkle Materie

Hinweis durch Röntgenstrahlung

Nachweis über Lichtablenkung


Galaxienhaufen Abell 1689

http://chandra.harvard.edu/photo/2008/a1689/

Abell 1689 im Röntgenlicht

http://chandra.harvard.edu/photo/2008/a1689/a1689.jpg


Leerräume/Voids

• Die mittlere Dichte im Kosmos

ist ca. 1 Atom pro m3. Die

mittlere Dichte in Galaxien ist

etwa 1 Million mal größer.

• Es muß also „leere“ Gebiete

zwischen den Galaxien geben,

eben die Voids.

• Typische Voids haben einen

Durchmesser von 100 Mio.

Lichtjahren.

• Der größte bisher entdeckte

Void hatte einen Durchmesser

von 100 Mrd. Lichtjahren; das

1000-fache Volumen typischer

Voids.

Quelle: http://www.aip.de/image_archive/images/arbabi_voids.gif


Virgo Super-Haufen

Quelle: http://www.atlasoftheuniverse.com


Kollision von 4 großen Galaxienhaufen.

• Innerhalb eines Filamentes kollidieren Galaxienhaufen und heizen das intergalaktische Gas massiv auf, so daß es im Röntgenlicht strahlt. Die Farbkodierung in den Bildern zeigt blau als heißeste bis rot als kühlste Regionen.

• Das System - MACSJ0717 genannt – befindet sich in einer Entfernung von ca. 5,4 Mrd. Lichtjahren.

Quelle: http://chandra.harvard.edu/photo/2009/macs/macs.jpg

http://chandra.harvard.edu/photo/2009/macs/macs.jpg


Entwicklung von Galaxien

Man geht heute davon aus, daß sich die ersten Galaxien ineinem Halo Dunkler Materie als Sternscheiben gebildet haben.Die kollabierende Jeansmasse hatte einen Drehimpuls, derdie Scheibenform der Gasmasse bewirkte, in der schließlichdie Sterne bildeten.

Im Laufe der Zeit konnten immer größere Objekte entstehen;es bildeten sich Galaxienhaufen, in denen es immer wiederzu Kollisionen und damit zum Verschmelzen (merger) zweier(oder mehrerer) kam.

Das Ergebnis der Verschmelzung großer Objekte sind dieriesigen elliptischen Galaxien, die sich bevorzugt im Zentrumvon Galaxienhaufen oder Superhaufen befinden. Kleinereelliptische Galaxien können durchaus aber durch Einfangenvon kleinen Spiralgalaxien sich zu solchen entwickeln.

So vermutet man, daß die Bulges der normalen Spiral-galaxien die Überreste von vorhergehenden elliptischenGalaxien sind.

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