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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 Warum sehen Galaxien so aus wie sie aussehen? 3.7 Kinematik und Massen Wenn F = F ´ selbstgravitierendes System Verteilung der Sterne Gravitationspotential F (r, q, j ) Kinematik der Sterne Gravitationspotential F ´ (r, q, j )

3 Kinematik v Prinzip der Messung von Raumgeschwindigkeiten

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

5 Kinematik v v v r t m Radialgeschwindigkeit v Doppler-Effekt v /c = Dl / l Transversalgeschwindigkeit v aus Eigenbewegung m ( / Jahr) und Entfernung r: v = r tan m 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 m ~ 1´´ in Jahren!) Prinzip der Messung von Raumgeschwindigkeiten

7 3.7.1 Kinematik: Allgemeine Bemerkungen 3.7 (A) Ungeordnete Bewegung ll 0sys v > 0 sys WH

8 3.7 (A) Ungeordnete Bewegung Linienverbreiterung W % s Linie vrvr W ll 0sys v > 0 sys WH Kinematik: Allgemeine Bemerkungen

9 3.7 (B) Rotation v < 0 v > 0 sys r r Dl > 0 ll 0sys Dl < Kinematik: Allgemeine Bemerkungen

10 3.7 (B) Rotation systematische Linienverschiebung Dl ( r ) % v r v < 0 v > 0 sys r r Dl > 0 ll 0sys Dl < Kinematik: Allgemeine Bemerkungen

11 Bemerkungen zur Untersuchung der Kinematik in Galaxien Empirischer Zugang beruht allein auf Doppler-Effekt Messung am besten an Emissionslinien (Gas) bedeutsam vor allem: H a (HII-Regionen) und 21-cm-Linie (HI) Messung an Absorptionslinien (Sterne) schwieriger und weniger genau Kinematik: Allgemeine Bemerkungen

12 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

13 3.6.2 Rotationskurven (RK) von Spiralgalaxien

14 Ergebnisse (A) Scheiben von Spiralgalaxien Differentielle Rotation ( W~ 1/ R) starre Rotation 1. Geordnete Bewegung dominiert ( v >> s ) 2. ~ const für R = R... R 3. fester Hubble-Typ: v % L (Tully-Fisher-Relation) 4. festes L: v für Sa größer als für Sc (stärkere Konzentration zum Zentrum) v max S25 max 1/4 max R v rot ~5 kpc ~ R 25 v max v Typische Struktur der RK Bemerkung: Wellenförmige Struktur hängt mit Spiralstruktur zusammen.

15 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

16 Ungeordnete Bewegungskomponente dominiert Können Bulges und E überhaupt Rotationsellipsoide sein? 2. s % L (Faber-Jackson-Relation) v 1/ Ergebnisse (B) Bulges und Elliptische

17 3.6.5 (B) Bulges und Elliptische Ergebnisse Oblater Sphäroid (Pfannkuchen) ( a = b > c )( a > b = c ) Mögliche Formen von Rotationsellipsoiden Prolater Sphäroid (Zigarre) a c b c b a

18 3.6.5 (B) Bulges und Elliptische Ergebnisse a c b c b a Modellierung Sternsysteme mit Rotation plus isotroper (I) ungeordneter Bewegung Rotation verursacht Abplattung e = 1 - b/a für Isotropie: ( ). v e s1 - e 2 rot v iso Modell IO: isotrop, oblate Modell IP: isotrop, prolate (a > b=c) Können Bulges und E überhaupt Rotationsellipsoide sein? (a =b > c) (Pfannkuchen) (Zigarre)

19 3.6.5 (B) Bulges und Elliptische Ergebnisse Können Bulges und E überhaupt Rotationsellipsoide sein? Vergleich Modell/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 )

20 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 Ergebnisse

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

22 3.6.8 (B) Deutung der flachen Rotationskurven - Beobachtung: I = I exp ( - R / R ) Starke Zentrumskonzentration der Helligkeitsverteilung - Annahme: m/L = const über R (m(R ) und L(R ) durch Sternverteilung bestimmt) Starke Zentrumskonzentration der Massenverteilung Im Außenbereich (R >> R ) gilt M. const d.h. näherungsweise Zentralkraftfeld 0S SR

23 3.6.8 (B) Deutung der flachen Rotationskurven Für Punktmasse m im Zentralkraftfeld der Masse M gilt: R M m G m v R R 2 Rrot 2 = - Erwartung: - Beobachtung: v. const 1 w Rw R v ~ rot Kepler-Rotation flache Rotationskurven

24 3.6.8 (B) Deutung der flachen Rotationskurven -Erwartung (Intensitätsprofil): - Beobachtung: v. const 1 w Rw R v ~ rot Kepler-Rotation flache Rotationskurven

25 3.6.8 R v rot ~5 kpc ~ R 25 v max Beobachtung: flache RK Erwartung: Kepler-Rotation Eines von beiden muss modifiziert werden: 1.Newtonsche Dynamik bzw. Gravitationstheorie 2.Annahme m/L = const (WYSIWYG ) Dominanz von Dark Matter (DM) (B) Deutung der flachen Rotationskurven * WYSIWYG: What you see is what you get

26 3.6.8 (B) Deutung der flachen Rotationskurven 1.Newtonsche Dynamik bzw. Gravitationstheorie modifizieren 1.1 Modified Newtonian Dynamics (MOND) 1.2 Alternative Gravitationstheorien (STVG, RGGR,...) * (*) Allgemein-Relativistische Korrekturen sind irrelevant, da F << c 2

27 3.6.8 (B) Deutung der flachen Rotationskurven 1.1 Modified Newtonian Dynamics (MOND) 0 Newton II: F = m a 0 a ~ 10 m s m a MOND: F = m a m (a/a ) Für a < a ist m % a F % F 0 N M MN 2 Nachweis mit LISA ?

28 3.6.8 (B) Deutung der flachen Rotationskurven 1.2 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 ( d G/G ~ 10 pro 100 kpc *) Korrekturen der Rotationsgeschwindigkeit im Vergleich zu Newtonscher Dynamik: v ~ v 1 - g -7 () c F 2 RGGRNewt mit g ~ 10 über Dimension einer Galaxie! * Variation im Sonnensystem um Faktor

29 (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)

30 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 uuu 10 Typische Massen und Masse-Leuchtkraft-Verhältnisse Vergleich: Sonnenumgebung (Sternzählungen): m/L ~ 1

31 (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:

32 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

33 (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

34 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

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

36 Masseverteilung im DM-Halo: aus konstanter RK folgt M % R und wegen dM = r 4p R dR folgt r % 1/R Ansatz: r = R R 2 2 r (R/R ) 0 2 (nicht-singuläres isothermes Profil) dM /dR = const R (C) Schlussfolgerungen

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

38 (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

39 (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?

40 (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

41 (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

42 (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,...

43 (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

44 (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.

45 (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) -7-7 u 2

46 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

47 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 u G m c ~ 1.5 km ~ 5 10 kpc u (Mikrogravitationslinse)

48 Lichtverstärkung m abhängig vom relativen projizierten Abstand u Linse - Quelle u + 2 u u + 4 m ( t) = 2 2 u = u (t) = r (t) / R o u = 1 (d.h. r = R ) m = m = 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 D m (mag) -2 0

49 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 u Charakteristische Zeitskalen von GL-Ereignissen 30 min für m /m = 10 2 Jahre für m /m = 10 M u -7-7 M u 2 D t = o trans 2 R v Beispiel: Wenn v gegeben, kann R bestimmt werden trans o M MACHO-Masse m

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

51 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

52 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

53 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

54 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

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

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

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

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

59 (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

60 (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,...)

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

62 (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

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

64 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

65 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.)

66 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

67 Das Thema Dunkle Materie kommt wieder....


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