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3. Eigenschaften normaler Galaxien 3.1 Helligkeitsprofile 3.2 Größe 3.3 Leuchtkraft 3.4 Spektrale Energieverteilung 3.5 Interstellares Medium 3.6 verschiedene.

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1 3. Eigenschaften normaler Galaxien 3.1 Helligkeitsprofile 3.2 Größe 3.3 Leuchtkraft 3.4 Spektrale Energieverteilung 3.5 Interstellares Medium 3.6 verschiedene Spektralbereiche 3.7 Kinematik und Massen 3.8 Korrelationen 3.9 Entwicklungsmodelle 3.10 Spiralstruktur

2 3.7.1 Allgemeine Bemerkungen - Die Erscheinungsform wird durch die Verteilung der Sterne (+ interstellares Gas) bestimmt. - Die Verteilung der Sterne bestimmt die Form des Gravitationspotentials. - Das Gravitationspotential bestimmt die Bewegung (Bahnen) der Sterne. - Die Bewegung der Sterne reproduziert das ursprüngliche Gravitationspotential (dynamisches Gleichgewicht). Warum sehen Galaxien so aus wie sie aussehen? 3.7 Kinematik und Massen Galaxien = selbstgravitierende Systeme

3 Kinematik v Prinzip der Messung von Raumgeschwindigkeiten

4 Kinematik v v r Radialgeschwindigkeit v Doppler-Effekt v /c = r r Prinzip der Messung von Raumgeschwindigkeiten

5 Kinematik v v v r t m Radialgeschwindigkeit v Doppler-Effekt v /c = Transversalgeschwindigkeit v aus Eigenbewegung ( / Jahr) und Entfernung r: v = r tan r t t r r Prinzip der Messung von Raumgeschwindigkeiten

6 Kinematik v v v r t m r Aber: In Extragalaktik im Allgemeinen nur v messbar ! Dennoch sind begründete Aussagen über Kinematik möglich! r (z.B.: für Sterne in M31 ~ 1 in Jahren!) Prinzip der Messung von Raumgeschwindigkeiten

7 3.7 Kinematik und Massen 3.7 (A) Ungeordnete Bewegung Linienverbreiterung Messung am besten an Em.linien, Abs.linien schwieriger bedeutsam vor allem: H (HII) und 21-cm-Linie (HI) Bemerkungen: W ~ Linie vrvr W 0sys v > 0 sys WH

8 Kinematik und Massen (B) Rotation Linienverschiebung v r v < 0 v > 0 sys r r > 0 0sys < 0 Bemerkungen: Messung am besten an Em.linien, Abs.linien schwieriger bedeutsam vor allem: H (HII) und 21-cm-Linie (HI)

9 Messung der Rotationskurven (RK) v (R) r Einfache Methode für entferntere Galaxien: Langspaltspektroskopie Bemerkung: Korrektur bzgl. Neigung zur Sichtlinie aus beob. Achsenverhältnis a / b a ( ´´ ) l - l sys Nachthimmelslinien

10 3.6.2 Rotationskurven (RK) von Spiralgalaxien

11 Ergebnisse (A) Scheiben von Spiralgalaxien Im Allgemeinen ist v >> max v v (R) (= Rotationskurve) untersuchen! Differentielle Rotation ( 1/R) starre Rotation Ergebnisse: typische Form der RK ~ const für R = R... R fester Hubble-Typ: v ~ L (Tully-Fisher-Relation) festes L: v für Sa größer als für Sc (stärkere Konzentra- tion zum Zentrum) wellenförmige Struktur hängt mit Spiralstruktur zusammen v max P25 max 1/4 max R v rot ~5 kpc ~ R 25 v max

12 3.6.4 Beispiele für gemessene Rotationskurven von Sb-Galaxien (links) und Sc-Galaxien (rechts); (Rubin et al ) Bemerkung: größte gemessene Rotationsgeschwindigkeit ca. 500 km/s

13 3.6.5 (B) Bulges und Elliptische 1.ungeordnete Bewegungskomponente dominiert können Bulges und E überhaupt Rotationsellipsoide sein? 2. ~ L (Faber-Jackson-Relation) v 1/4 (a)Oblater Sphäroid (Pfannkuchen) (b)Prolater Sphäroid (Zigarre) ( a = b > c ) ( a > b = c ) Mögliche Formen von Rotationsellipsoiden: Ergebnisse

14 3.6.6 Modellierung: Sternsysteme mit Rotation + isotrope (I) ungeordnete Bewegung Rotation verursacht Abplattung b/a für Isotropie: Modell IO: isotrop, oblate Modell IP: isotrop, prolate ( ) v 2 rot v iso Vergleich mit Beobachtung: 1. dE, Bulges entsprechen IO-Modell ( rotationsgestützt) 2.(Riesen-) disky E entsprechen IO- Modell ( rotationsgestützt) 3.(Riesen-) boxy E weder IO noch IP Stabilität gegen Gravitat.kollaps durch ungeordnete Bewegung triaxiale Struktur wahrscheinlich ( a > b > c )

15 Zusammenfassung Kinematik: Allgemeine Ergebnisse geordnete Beweg. dominiert (dynamisch kühl) rotationsgestützt störanfällig stark strukturiert Tully-Fisher-Relation ungeordnete Beweg. dominiert (dynamisch heiß) nicht rotationsgestützt wenig störanfällig wenig strukturiert Faber-Jackson-Relation Ellipsoide Scheiben

16 Massen, Massenverteilung, m/L (A) Allgemeines Vorgehen zur Modellierung der Massenverteilung in Galaxis: - Poisson-Gl. (Dichteverteilung Potenzial) - Bewegungsgleichungen-Gl.n: (Potenzial Dynamik) - Dichteverteilung ( r ) vorgeben potkin Virialsatz: | E | = 2 E Virial-GG erfüllt? Ja Nein ok

17 3.6.8 (B) Deutung der flachen Rotationskurven -Erwartung (Intensitätsprofil): - Beobachtung: v = const 1 R v ~ rot Kepler-Rotation flache Rotationskurven

18 3.6.8 R v rot ~5 kpc ~ R 25 v max Beobachtung: flache RK Erwartung: Kepler-Rotation Lösungsansätze: 1.Newtonsche Dynamik bzw. Gravitationstheorie modifizieren 2. Galaxien sind in ausgedehnte DM-Halos eingebettet (B) Deutung der flachen Rotationskurven

19 3.6.8 (B) Deutung der flachen Rotationskurven 1.Newtonsche Dynamik bzw. Gravitationstheorie modifizieren Modified Newtonian Dynamics (MOND) alternative Gravitationstheorien (STVG, MSTG, RGGR) * (*) Allgemein-Relativistische Korrekturen sind irrelevant, da << c 2

20 3.6.8 (B) Deutung der flachen Rotationskurven Modified Newtonian Dynamics (MOND) 0 Newton II: F = m a 0 a ~ 10 m s a 10 MOND: F = m a (a/a ) Für a < a ist a F ~ F 0 N M MN 2 Nachweis mit LISA (2012+) ?

21 3.6.8 (B) Deutung der flachen Rotationskurven Alternative Gravitationstheorie: z.B. RGGR (renormalization group corrections to General Relativity) Phänomen eines nicht-konstanten gravitativen Kopplungs- parameters im Rahmen von Ansätzen zur Quanten-Gravitation Gravitationskonstante variiert über Größenskala von Galaxien ( G/G ~ 10 pro 100 kpc *) Korrekturen der Rotationsgeschwindigkeit im Vergleich zu Newtonscher Dynamik: v ~ v 1 -7 () c 2 RGGRNewt mit ~ 10 über Dimension einer Galaxie! * Variation im Sonnensystem um Faktor

22 (B) Deutung der flachen Rotationskurven 2.Bei großem R zunehmend mehr nichtleuchtende Materie Je größer R, desto mehr Dunkle Materie (DM) Galaxien sind in Halos aus DM eingebettet (DM-Halo)

23 Typ m (10 m )m/L (m /L ) (am letzten Punkt der RK) E (Riesen) E (Zwerge) 0.01 Sa 100 Sb 10 Sc 5 Irr Typische Massen und Masse-Leuchtkraft-Verhältnisse Vergleich: Sonnenumgebung (Sternzählungen): m/L ~ 1

24 (C) Schlussfolgerungen z.B. Rodrigues, Letelier, Shapiro (2011): * Currently there is a large body of data coming from cosmological and astrophysical observations that is mostly consistent with the existence of dark matter These lead to the cold dark matter framework, which is one of the pillars of the current standard cosmological model It is not only tempting, but mandatory to check if such dark matter exists and also to check if the gravitational effects that lead to the dark matter hypothesis could follow from a more detailed and complete approach to gravity. * arXiv:

25 DM – Szenario 1. auf großen Skalen sind Galaxien DM-dominiert (DM-Halos) 2. DM-Halos bestehen nicht aus (normaler) Sternpopulation (etwa wie Sonnenumgebung) (C) Schlussfolgerungen

26 (1.) Vergleich der Kinematik von Objekten in Scheibe und stellarem Halo Stellarer Halo DM- Halo Für gleiches R gilt (a) Bei sphäroidaler Verteilung: v (Halo) = v (Scheibe) (b) Für Scheibe: v (R) = ( ) v (R) Beobachtung: Halo- und Scheibenobjekte folgen etwa der gleichen Rotationskurve rot, Scheiberot, Halo rot Sind die DM-Halos flach oder sphäroidal? Schlussfolgerung: DM-Halo ist etwa sphäroidal

27 Sind die DM-Halos flach oder sphäroidal? Ring Scheibe (2.) Kinematik von polaren Ringen (pekuliare Galaxien) Beobachtung: gleiche Rotations- kurve für Halo und Scheibe Schlussfolgerung: DM-Halo ist etwa shäroidal

28 Masseverteilung im DM-Halo: aus konstanter RK folgt M ~ R und wegen dM = R dR folgt 1/R Ansatz: = R R (R/R ) 0 2 (nicht-singuläres isothermes Profil) dM /dR = const R (C) Schlussfolgerungen

29 Bemerkung Die Hypothese der Existenz von DM ist nicht so exotisch, wie sie zunächst erscheinen mag:

30 (C) Schlussfolgerungen Bemerkung Die Hypothese der Existenz von DM ist nicht so exotisch, wie sie zunächst erscheinen mag: - Schwer (direkt) nachweisbare Objekte sind in Astrophysik nicht unbekannt: siehe zB. Neutrinos, Braune Zwerge, Schwarze Löcher

31 (C) Schlussfolgerungen Bemerkung Die Hypothese der Existenz von DM ist nicht so exotisch, wie sie zunächst erscheinen mag: - Schwer (direkt) nachweisbare Objekte sind in Astrophysik nicht unbekannt: siehe zB. Neutrinos, Braune Zwerge, Schwarze Löcher - Warum sollten wir davon ausgehen dürfen, dass alle existierende Materie mit Photonen wechselwirkt?

32 (C) Schlussfolgerungen Bemerkung Die Hypothese der Existenz von DM ist nicht so exotisch, wie sie zunächst erscheinen mag: - Schwer (direkt) nachweisbare Objekte sind in Astrophysik nicht unbekannt: siehe zB. Neutrinos, Braune Zwerge, Schwarze Löcher - Warum sollten wir davon ausgehen dürfen, dass alle existierende Materie mit Photonen wechselwirkt? - Hochenergiephysik sagt Existenz von weiteren Teilchen voraus, die nur schwach mit Photonen wechselwirken

33 (D) Natur der DM 1. Woraus DM-Halos mit Sicherheit nicht bestehen: - normale Sternpopulation (M/L < 1) - (kühles) HI-Gas, (warmes oder heißes) ionisiertes Gas, Staub

34 (D) Natur der DM 1. Woraus DM-Halos mit Sicherheit nicht bestehen: - normale Sternpopulation (M/L < 1) - (kühles) HI-Gas, (warmes oder heißes) ionisiertes Gas, Staub 2. Woraus DM-Halos wahrscheinlich nicht bestehen: - massereiche Schwarze Löcher - stellare Endstadien (Weiße Zwerge, Neutronensterne, stellare SL) - Kometen, Asteroiden, Astronauten, Astronomen,...

35 (D) Natur der DM 1. Woraus DM-Halos mit Sicherheit nicht bestehen: - normale Sternpopulation (M/L < 1) - (kühles) HI-Gas, (warmes oder heißes) ionisiertes Gas, Staub 2. Woraus DM-Halos wahrscheinlich nicht bestehen: - massereiche Schwarze Löcher - stellare Endstadien (Weiße Zwerge, Neutronensterne, stellare SL) - Kometen, Asteroiden, Astronauten, Woraus DM-Halos bestehen könnten: - MACHOs (Massive Astrophysical Compact Halo Objects) = massearme Sterne, substellare Objekte (Braune Zwerge) - WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles) = nicht-baryonische Elementarteilchen

36 (D) Suche nach MACHOs: Mikro-Gravitationslinseneffekt Entfernter Stern Beobachter Halo- MACHO D S D D Prinzip: -Gravitationsfeld des MACHOs bewirkt Lichtablenkung die sich ändert, wenn sich Linse relativ zur Quelle bewegt.

37 (D) Suche nach MACHOs: Mikro-Gravitationslinseneffekt Sonne Large Magellanic Cloud (LMC) DM-Halo (MACHOs) Praktische Ausführung (Paczynski, 1986) Halo-MACHOs mit Massen m mittels MGL- Effekt nachweisbar an Sternen der Großen Magellanschen Wolke (LMC) 7

38 Relativbewegung von Quelle und Linse (MACHO): Spezialfall: Quelle, Linse und Beobachter auf einer Linie Lichtablenkung ringförmig D D s d Einstein-Ring:R = 4 G m (D D ) c D D 2 d d s s M o BM Prinzip

39 Relativbewegung von Quelle und Linse (MACHO): viel zu klein für empirischen Nachweis! Credits: J. Wambsganß Aber: MGE verbunden mit messbarer Verstärkung der Helligkeit der Quelle! D (LMC) = 53 kpc D = 10 kpc d s R ~ 10 m / m arcsec o -3 M G m c ~ 1.5 km ~ 5 10 kpc 2 17 (Mikrogravitationslinse)

40 Lichtverstärkung m abhängig vom relativen projizierten Abstand u Linse Quelle u + 2 u u + 4 t) = 2 2 u = u (t) = r (t) / R o u = 1 (d.h. r = R ) = = 1.34 = Schwelle für Detektion (per Def) lim o Eigenschaften von MGL-Lichtkurven für Punktquellen und Punktlinsen: - streng symmetrisch - streng achromatisch (für u > 0) R r o u = 0.2 min Zeit Verstärkung m (mag) -2 0

41 Zeitdauer eines Ereignisses: Linse = MACHO im stellaren Halo des MSS (v = 200 km/s) Quelle= Stern in LMC trans D t = 0.2 m / m Jahre M Charakteristische Zeitskalen von GL-Ereignissen 30 min für m /m = 10 2 Jahre für m /m = 10 M 7 M 2 t = o trans 2 R v Beispiel: Wenn v gegeben, kann R bestimmt werden trans o M MACHO-Masse m

42 Wahrscheinlichkeit p für Verstärkung eines beliebigen Stern in der LMC: p = Gesamtfläche aller Einstein-Scheiben vor der LMC Gesamtfläche der LMC = 10 6 Bei 10 Sternen Im Mittel findet zu jedem Zeitpunkt ein Verstärkungs-Ereignis statt ! 6 Wahrscheinlichkeit von GL-Ereignissen Ergebnis:

43 Projekte der MACHO-Suche mittels Mikrogravitationslinsen Mehrere Projekte (seit etwa 1990): MACHO 0.7 Quadratgrad LMC mit CCD EROS 0.4 Quadratgrad LMC mit CCD und 25 Quadratgrad LMC photographisch OGLE 0.25 Quadratgrad in Richtung galaktisches Zentrum mit CCD

44 Ergebnisse Mikro-GL-Effekt beobachtet In Richtung MCs weniger Ereignisse (~ 20) als erwartet In Richtung GC mehr als erwartet ( zentraler Balken) Raumdichte von MACHOs: Max. 20% des DM-Halos in Form von MACHOs Projekte der MACHO-Suche mittels Mikrogravitationslinsen

45 Unklarheiten: - Natur der MACHOs mit Massen von ~0.5 m - self-lensing - Halo-Modell - klumpige Verteilung der MACHOs (Haufen)? Projekte der MACHO-Suche mittels Mikrogravitationslinsen

46 Anmerkung 1: Lichtkurven von Doppel-Linsen OGLE-2007-BLG-472 Daten mit Fit durch Binärlinsenmodell (Kains et al. 2009) Abweichungen von Standardform wenn Linse = Doppelstern

47 Beobachter... zu erwarten, dass Gravitationslinseneffekt in der Extragalaktik eine wichtige Rolle spielt... (siehe später) Anmerkung 2: Gravitationslinseneffekt, allgemein Zum Beispiel Hubble Ultra Deep Field

48 Anmerkung 3: Höhere Linsendichte, entfernte Quellen Microlensing einer entfernten Quelle durch Sternfeld einer entfernten Galaxie: Beobachter Hohe optische Linsendichte: Wirkungen überlagern sich kompliziertes Verstärkungsmuster

49 (a) Verstärkungsmuster (caustic) projiziert in die Quellenebene (b) Lichtkurven (caustic crossing) Quelle: Wambsganß (1998) Anmerkung 3: Höhere Linsendichte, entfernte Quellen

50 Änderung der Kaustik infolge Bewegung der Linsen Verstärkungsmuster in der Quellenebene für relativ hohe Linsendichte Quelle: Wambsganß (1998) Anmerkung 3: Höhere Linsendichte, entfernte Quellen

51 (E) Suche nach WIMPs Motivation für Annahme nicht-baryonischer DM Mikro-GL-Suche DM aus baryonischer Materie kann für Galaxis mit hoher Wahrscheinlichkeit ausgeschlossen werden Modellierung der Entstehung großräumiger Strukturen erfordert nicht-baryonische DM-Halos ( später) Beobachtete Strukturen im Mikrowellenhintergrund erfordern Dominanz nicht-baryonischer Materie ( später) Primordiale Synthese der leichten Atomkerne (D, L, He) erfordert Dominanz nicht-baryonischer Materie ( Kosmologie) Teilchenphysik: SUSY-Teilchen vorausgesagt, insbesondere Neutralino X (m = GeV) Kosmologie: WIMPs im frühen Univ. erzeugt ( Kosmologie) 1 o

52 (E) Suche nach WIMPs Prinzipien der experimentellen Suche nach WIMPs: Direkte Methode: kryogene Halbleiter-Detektoren (Ladung, Temperatur infolge Einschlag eines WIMPs) Indirekte Methode: Cerenkov-Detektoren (messen Neutrinos aus Annihilation von WIMPs) außerdem nutzbar: - Modulation der Ereignisrate infolge Bewegung Erde um Sonne ( Änderung der Richtung relativ zu galaktischem Hintergrund) - gravitativer Einfang von WIMPs (Erd-, Sonnenzentrum,...)

53 Neutralino annihilations in Sun neutrinos Sun Earth Detector μ scatt int. Gravitativer Einfang von Neutralinos (E) Suche nach WIMPs

54 (E) Suche nach WIMPs Prinzipien der experimentellen Suche nach WIMPs: Probleme: hohe Flussdichten, aber geringe WW mit normaler Materie! erwartete Ereignisrate sehr gering (< 1 pro kg und Tag) große Detektoren (große Massen) gute Abschirmung gegen Hintergrund

55 Tunnel in franz. Alpen 30 kg Ge bei T = 0.01 K Direkte Methode

56 Neutrino kollidiert mit O-Kern im Eis Myon (Lebensdauer ~ 1 km) Nachweis über Cerenkov-Strahlung mittels optischer Module (OM) Myon behält Richtung des Neutrinos Richtung des Neutrinos folgt aus Zeit und Ort, wo OMs Cerenkov-Strahlung registrieren Indirekte Methode

57 liefert seit 1997 Daten Konzept eines Neutrino-Teleskops im Eis bewährt Energie und Richtung hoch- energetischer Neutrinos mit großer Genauigkeit bestimmbar Allerdings bisher noch kein sicherer Nachweis von DM- Kandidaten aber Verbesserung der Nachweisgrenzen. AMANDA Ergebnisse Verteilung hochenergetischer Neutrinos, die von AMANDA nachgewiesen wurden, im äquatorialen Koordinatensystem. (Die Häufung in der Äquatorebene [=Horizont!] kommt von der Kontamination durch atmosphärische Myonen.)

58 IceCube (AMANDA II) Neutrino-Teleskop der neuen Generation Installation Sensoren in 1 km weltweit größter Neutrino- Detektor 30 mal größer und damit viel empfindlicher als AMANDA (AMANDA in IceCube integriert) 3

59 Das Thema Dunkle Materie kommt wieder....


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