3. Eigenschaften normaler Galaxien

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1 3. Eigenschaften normaler Galaxien
3.1 Helligkeitsprofile Größe Leuchtkraft Spektrale Energieverteilung Interstellares Medium verschiedene Spektralbereiche Kinematik und Massen Korrelationen Entwicklungsmodelle Spiralstruktur

2 3.7.1 Allgemeine Bemerkungen
Kinematik und Massen Allgemeine Bemerkungen Warum sehen Galaxien so aus wie sie aussehen? Verteilung der Sterne Gravitationspotential F´ (r, q, j) Gravitationspotential F (r, q, j) Kinematik der Sterne Wenn F = F´  „selbstgravitierendes“ System

3 Prinzip der Messung von Raumgeschwindigkeiten
Kinematik v

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

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

6 Prinzip der Messung von Raumgeschwindigkeiten
Kinematik v r t m v 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!)

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

8 3.7.1 Kinematik: Allgemeine Bemerkungen
WH W % s (A) Ungeordnete Bewegung  Linienverbreiterung Linie vr 3.7 W Linie v > 0 sys l l sys

9 3.7.1 Kinematik: Allgemeine Bemerkungen
(B) Rotation 3.7 Dl < 0 v < 0 r v > 0 sys v > 0 Dl > 0 r l l sys

10 3.7.1 Kinematik: Allgemeine Bemerkungen
Dl(r) % v (B) Rotation  systematische Linienverschiebung r 3.7 Dl < 0 v < 0 r v > 0 sys v > 0 Dl > 0 r l l sys

11 3.7.1 Kinematik: Allgemeine Bemerkungen
Bemerkungen zur Untersuchung der Kinematik in Galaxien Empirischer Zugang beruht allein auf Doppler-Effekt Messung am besten an Emissionslinien (Gas) bedeutsam vor allem: Ha (HII-Regionen) und 21-cm-Linie (HI) Messung an Absorptionslinien (Sterne) schwieriger und weniger genau

12 3.7.2 Messung der Rotationskurven (RK) v (R)
3.6.1 r Einfache Methode für entferntere Galaxien: Langspaltspektroskopie a (´´) l - l sys Nachthimmelslinien Bemerkung: Korrektur bzgl. Neigung zur Sichtlinie aus beob. Achsenverhältnis a / b

13 „Rotationskurven“ (RK) von Spiralgalaxien
3.6.2

14 3.6.3 3.7.3 Ergebnisse (A) Scheiben von Spiralgalaxien v v R
Typische Struktur der RK 1. Geordnete Bewegung dominiert (v >> s ) ~ 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) starre Rotation Differentielle Rotation (W~ 1/ R) max v v rot v max S 25 v 1/4 max max R ~5 kpc ~ R 25 max Bemerkung: Wellenförmige Struktur hängt mit Spiralstruktur zusammen.

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

16 3.6.5 3.7.3 Ergebnisse (B) Bulges und Elliptische
Ungeordnete Bewegungskomponente dominiert  Können Bulges und E überhaupt Rotationsellipsoide sein? s % L (Faber-Jackson-Relation) 1/4 v

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

18 ( ) . 3.6.5 3.6.6 3.7.3 Ergebnisse (B) Bulges und Elliptische
Modell IO: isotrop, oblate (a =b > c) Können Bulges und E überhaupt Rotationsellipsoide sein? c a b Modellierung (Pfannkuchen) 3.6.6 Sternsysteme mit Rotation plus isotroper (I) ungeordneter Bewegung Rotation verursacht Abplattung e = 1- b/a für Isotropie: Modell IP: isotrop, prolate (a > b=c) b c ( ) . v e 2 a rot s 1 - e iso v (Zigarre)

19 3.6.5 3.7.3 Ergebnisse (B) Bulges und Elliptische
Können Bulges und E überhaupt Rotationsellipsoide sein? Vergleich Modell/Beobachtung dE, Bulges entsprechen IO-Modell ( „rotationsgestützt“) (Riesen-) disky E entsprechen IO-Modell ( „rotationsgestützt“) (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
Ellipsoide Scheiben ungeordnete Beweg. dominiert (dynamisch heiß)  nicht rotationsgestützt  wenig störanfällig  wenig strukturiert Faber-Jackson-Relation geordnete Beweg. dominiert (dynamisch kühl)  rotationsgestützt  störanfällig  stark strukturiert Tully-Fisher-Relation

21 3.7.4 Massen, Massenverteilung, m/L
3.6.7 (A) Allgemeines Vorgehen zur Modellierung der Massenverteilung in Galaxis: - Dichteverteilung r ( r ) vorgeben Nein - Poisson-Gl. (Dichteverteilung  Potenzial) Virial-GG erfüllt? - Bewegungsgleichungen-Gl.n: (Potenzial  Dynamik) Ja pot kin Virialsatz: | E | = 2 E 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 S S R

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

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

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

26 3.6.8 (B) Deutung der flachen Rotationskurven *
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 a a ~ 10 m s (B) Deutung der flachen Rotationskurven
1.1 Modified Newtonian Dynamics (MOND) m Newton II: F = m a N MOND: F = m a m (a/a ) M  Für a < a ist m%a F % F  2 M N a a ~ m s -10 Nachweis mit LISA ? -2

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 (dG/G ~ pro kpc *) Korrekturen der Rotationsgeschwindigkeit im Vergleich zu Newtonscher Dynamik: v ~ v g -7 ( c 2 ) 2 2 F RGGR Newt Newt mit g ~ über Dimension einer Galaxie! -7 -17 * Variation im Sonnensystem um Faktor 10

29 (B) Deutung der flachen Rotationskurven
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 3.6.10 Typ m (10 m ) m/L (m /L ) E (Riesen) 100...1000 10...20
Typische Massen und Masse-Leuchtkraft-Verhältnisse 3.6.10 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 10 u u u 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 (C) Schlussfolgerungen
DM – Szenario Auf großen Skalen sind Galaxien DM-dominiert (DM-Halos) DM-Halos bestehen nicht aus (normaler) Sternpopulation (etwa wie Sonnenumgebung)

33 3.6.13 Sind die DM-Halos flach oder sphäroidal?
Stellarer Halo DM- Halo Sind die DM-Halos flach oder sphäroidal? 3.6.13 (1.) Vergleich der Kinematik von Objekten in Scheibe und stellarem Halo Für gleiches R gilt (a) Bei sphäroidaler Verteilung: v (Halo) = v (Scheibe) (b) Für Scheibe: v (R) = ( ) v (R) rot rot rot, Halo rot, Scheibe Beobachtung: Halo- und Scheibenobjekte folgen etwa der gleichen Rotationskurve Schlussfolgerung: DM-Halo ist etwa sphäroidal

34 3.6.14 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 3.6.14 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 (C) Schlussfolgerungen
Masseverteilung im DM-Halo: aus konstanter RK folgt M % R  und wegen dM = r 4p R dR folgt r % 1/R  Ansatz: r = R 2 r 1 + (R/R ) (nicht-singuläres isothermes Profil) dM /dR = const

37 (C) Schlussfolgerungen
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 3.6.15 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 3.6.15 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 3.6.15 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, ... 3. 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
3.6.16 (D) Suche nach MACHOs: Mikro-Gravitationslinseneffekt Prinzip: Gravitationsfeld des MACHOs bewirkt Lichtablenkung... - ...die sich ändert, wenn sich Linse relativ zur Quelle bewegt. Entfernter Stern D S Halo-MACHO D D Beobachter

45 (D) Suche nach MACHOs: Mikro-Gravitationslinseneffekt
3.6.16 (D) Suche nach MACHOs: Mikro-Gravitationslinseneffekt Praktische Ausführung (Paczynski, 1986) Halo-MACHOs mit Massen m mittels MGL-Effekt nachweisbar an Sternen der Großen Magellanschen Wolke (LMC) -7 u 2 Large Magellanic Cloud (LMC) DM-Halo (MACHOs) Sonne

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

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

48 3.6.18 Lichtverstärkung m r abhängig vom relativen projizierten Abstand u Linse - Quelle u = u (t) = r (t) / R o R m (t) = 2 u + 2 o (für u > 0) u u + 4 -2 u = 1 (d.h. r = R )  m = m = = Schwelle für Detektion (per Def) o lim u = 0.2 min Verstärkung Dm (mag) Eigenschaften von MGL-Lichtkurven für Punktquellen und Punktlinsen: streng symmetrisch streng achromatisch -1 u = 0.2 min Zeit

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

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

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

52 Projekte der MACHO-Suche mittels Mikrogravitationslinsen
3.6.20 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

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

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

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

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

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

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

59 Motivation für Annahme nicht-baryonischer DM
(E) Suche nach WIMPs 3.6.21 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 3.6.21 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
(E) Suche nach WIMPs Neutralino annihilations in Sun → neutrinos Gravitativer Einfang von Neutralinos c Sun Earth sscatt nμ n int. m Detector

62 (E) Suche nach WIMPs 3.6.21 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 Direkte Methode 3.6.23 Tunnel in franz. Alpen 30 kg Ge bei T = 0.01 K

64 Indirekte Methode 3.6.25 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

65 3.6.26 AMANDA Ergebnisse 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. 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
3.6.26 Installation 4800 Sensoren in 1 km weltweit größter Neutrino-Detektor 30 mal größer und damit viel empfindlicher als AMANDA (AMANDA in IceCube integriert) 3

67 3.6.27 Das Thema „Dunkle Materie“ kommt wieder....