3. Eigenschaften normaler Galaxien

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1 3. Eigenschaften normaler Galaxien
3.1 Helligkeitsprofile Größe Leuchtkraft Spektrale Energieverteilung verschiedene Spektralbereiche 3.6 Interstellares Medium Kinematik und Massen Korrelationen Entwicklungsmodelle Chemische Häufigkeiten Spiralstruktur

2 Elliptische 3.5.7

3 3.5.7 3.6.3 Elliptische lange Zeit für ISM-frei gehalten, da
nur selten Em.linien (HI, HII) in optischen Aufnahmen mit bodengebundenen Teleskopen im allgemeinen keine Anzeichen von Staub Optisches Bild der E-Galaxie M87

4 3.5.7 3.6.3 Elliptische Seit 1979 (Röntgensatellit EINSTEIN): Deutung:
Gas mit T ~ 10 Mio K, i.allg. dT / dr > 0 Gesamtmasse im Röntgen- (X-) Gas: m = m , dh. m / m ~ 0.1 L mit opt. Leuchtkraft korreliert 9 10 X Sterne Deutung: ISM in E ist (durch irgendwelche Prozesse) stark aufgeheizt worden. Im Detail noch nicht sicher verstanden, ob Phänomen stationär. Röntgenbild und Röntgenspektrum der E-Galaxie M87

5 3.5.8 Elliptische Galaxien sind im allgemeinen staubfrei, aber...
Ausnahmen (HST): kleine zirkumnukleare Staubscheiben (dabei handelt es sich generell um Radiogalaxien  siehe später) Warum generell so wenig Staub? (Da ja ständig Staubproduktion in entwickelten Sternen) 3.5.8 Abbildung: Ausschnitt aus Atlas von HST-Aufnahmen von Radiogalaxien (De Ruiter)

6 3.7.1 Allgemeine Bemerkungen
Kinematik und Massen Allgemeine Bemerkungen Warum sehen Galaxien so aus wie sie aussehen? 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). Galaxien = „selbstgravitierende“ Systeme

7 Messung der Bewegung der Sterne: Prinzip
v Kinematik

8 Messung der Bewegung der Sterne: Prinzip
v r Kinematik v Radialgeschwindigkeit v Doppler-Effekt v /c = Dl / l r r

9 1. Die sichtbaren Komponenten der Galaxien
Messung der Bewegung der Sterne: Prinzip 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 (Aber: In Extragalaktik im Allgemeinen nur v messbar !)

10 3.6.1 Prinzip der Messung der internen Kinematik von Galaxien Dl % v
(B) Ungeordnete Bewegung (A) Rotation  Linienverschiebung Dl % v r  Linienverbreiterung W % s Linie vr Dl > 0 W Linie v < 0 v > 0 v > 0 sys rot l Dl < 0 Bemerkungen: Messung am besten an Emissionslinien schwieriger bei Absorptionslinien bedeutsam vor allem Ha (HII) und 21-cm-Linie (HI)

11 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

12 3.6.2 „Rotationskurven“ (RK) von Spiralgalaxien

13 3.6.3 3.7.3 Ergebnisse (A) Scheiben von Spiralgalaxien Ergebnisse:
Im allgemeinen ist v >> s max v  v ( R) (RK) untersuchen! Differentielle Rotation 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 P 25 1/4

14 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

15 3.6.4 Exkurs: Eigenbewegung von M33 (Sc) Entfernung d = 750 kpc
v = 250 km/s = km/yr = kpc/100yr Entspricht in 100yr Winkel m [BM] = = m [´´] = = 3 10 rot -7 7 kpc 750 kpc -10 2 p . -4

16 3.6.5 (B) Bulges und Elliptische
ungeordnete Bewegungskomponente dominiert s % L (Faber-Jackson-Relation) v 1/4 Aus (1)  Können Bulges und E überhaupt Rotationsellipsoide sein? Mögliche Formen von Rotationsellipsoiden: Oblater Sphäroid („Pfannkuchen“) Prolater Sphäroid („Zigarre“) ( a = b > c ) ( a > b = c )

17 ( ) . 3.6.6 Modellierung: Vergleich mit Beobachtung:
Sternsysteme mit Rotation + isotrope (I) ungeordnete Bewegung Rotation verursacht Abplattung e = 1- b/a für Isotropie: ( ) . v e 2 rot s 1 - e iso v Vergleich mit 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 Modell IO: isotrop, oblate Modell IP: isotrop, prolate ( a > b > c )

18 Interne Kinematik: Allgemeine Ergebnisse
Ellipsen Scheiben ungeordnete Beweg. dominiert  E-Galaxien sind dynamisch heiß, deshalb wenig störanfällig, wenig strukturiert - nicht rotationsgestützt Faber-Jackson-Relation Rotation dominiert  Scheiben sind dynamisch kühl, deshalb stör-anfällig und stark strukturiert - rotationsgestützt Tully-Fisher-Relation

19 3.6.4 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

20 3.6.8 (b) Deutung der „flachen“ Rotationskurven
Erwartung (Intensitätsprofil): - Beobachtung: v const 1 w R v ~ rot „Kepler-Rotation“ „flache Rotationskurven“

21 3.6.8 (b) Deutung der „flachen“ Rotationskurven
Erwartung (Intensitätsprofil): - Beobachtung: v const 1 w R v ~ rot „Kepler-Rotation“ „flache Rotationskurven“

22 3.6.8 (b) Deutung der „flachen“ Rotationskurven Newtonsche Dynamik bzw. Gravitationstheorie modifizieren  alternative Gravitationstheorien  Modified Newtonian Dynamics (MOND) a ~ m s m a -10 -2 Newton II F = m a m (a/a )

23 3.6.8 (b) Deutung der „flachen“ Rotationskurven
Bei großem R dominiert zunehmend eine nichtleuchtende Materiekomponente Je größer R, desto mehr Dunkle Materie (DM) Galaxien sind in Halos aus DM eingebettet (DM-Halo)

24 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

25 (d) Schlussfolgerungen
auf großen Skalen sind Galaxien DM-dominiert (DM-Halos) DM-Halos bestehen nicht aus (normaler) Sternpopulation (etwa wie Sonnenumgebung) 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

26 (d) Schlussfolgerungen
Bemerkung Die Hypothese der Existenz von DM ist nicht so exotisch, wie sie zunächst erscheinen mag:

27 (d) 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?

28 (d) 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

29 3.6.5 Massereiche DM-Halos 3.6.12 (a) Zusammenfassung empirischer Hinweise auf Existenz von DM: Flache Rotationskurven der Scheiben von Spiralgalaxien Bewegungsverhalten zentrumsferner Objekte im MSS (Kugelsternhaufen, Satellitengalaxien) Röntgenhalos von (isolierten) E-Galaxien Dynamik von Doppelgalaxien, Galaxiengruppen, -haufen (siehe später) Gravitationslinseneffekt (siehe später) Strukturen im Mikrowellenhintergrund (siehe später)

30 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 shäroidal

31 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

32 (c) 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

33 (c) 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) - Asteroiden, Kometen, UFOs, Bierflaschen, ...

34 (c) 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) - Asteroiden, Kometen, UFOs, Bierflaschen, ... 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