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UniverseTenth Edition

Chapter 23

Galaxies

Roger Freedman • Robert Geller • William Kaufmann III

23‐1 How astronomers first observed other galaxies

23‐2 How astronomers determined the distances to other galaxies

23‐3 The basic types of galaxies

23‐9 How galaxies formed and evolved

23‐7 What happens when galaxies collide

23‐4 What techniques astronomers use to determine distances to remote 

galaxies

23‐5 How the spectra of remote galaxies tell us that the universe is expanding

23‐6 How galaxies are grouped into clusters and larger structures

23‐8 What observations indicate the presence of dark matter in other galaxies 

and clusters

By reading this chapter, you will learn

N.B. Order of sections has been altered

A Pioneering View of Another Galaxy

23‐1: When galaxies were first discovered, it was not clear that they lie far beyond the Milky Way

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Harlow Shapley (left) Mt. Wilson Observatory/ Heber D. Curtis Lick Observatory

Positions• The galaxy is approximately 

300,000 light years in diameter and the sun is located far from the center. 

• The spiral nebulae are associated with the galaxy, although outside the main body. The nature of the spirals is not known, but is probably some combination of gas and faint stars. 

• The Milky Way and its “halo” of globular clusters and spiral nebulae is all there is to the universe. 

• The galaxy is approximately 30,000 light years in diameter and the sun is located near the center. 

• The spiral nebulae are “island universes”, i.e., other galaxies comparable in size to the Milky Way. 

• The universe contains a large, indeterminate, number of galaxies spread out over a large, indeterminate volume of space. 

HS HC

Shapley’s Picture of the Universe

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Curtis’ Island Universe

The Andromeda Galaxy

23‐2: Hubble proved that the spiral nebulae are far beyond the Milky Way

The tie‐breaker

• In 1923 Edwin Hubble (1899‐1953) used the new 100‐inch telescope at the Mt. Wilson observatory to photograph M31.

• For the first time ever, individual stars could be distinguished on the photographic plate 

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Var!

• Hubble scratched “N” on the plate, first believing the Cepheid was a nova 

• His discovery of a Cepheid in M31 made it possible to apply Henrietta Leavitt's period‐luminosity method and determine that M31 is located at the remarkable distance of 1 million light‐years (300,000 parsecs)

• For most Astronomers this settled the issue of the spiral nebulae and the island universe theory, and also gave a clue as to how really big the cosmos is 

Measuring Galaxy Distances with Cepheid Variables

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Who was right about what• The galaxy is approximately 

300,000 light years in diameter and the sun is located far from the center. 

• The spiral nebulae are associated with the galaxy, although outside the main body. The nature of the spirals is not known, but is probably some combination of gas and faint stars.

• The Milky Way and its “halo” of globular clusters and spiral nebulae is all there is to the universe.

• The galaxy is approximately 30,000 light years in diameter and the sun is located near the center.

• The spiral nebulae are “island universes”, i.e., other galaxies comparable in size to the Milky Way. 

• The universe contains a large, indeterminate, number of galaxies spread out over a large, indeterminate volume of space. 

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Spiral Galaxies

23‐3: Galaxies are classified according to their appearance

The Hubble Tuning Fork

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Spiral Galaxies

Variety in Spiral Arms

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Variety in Spiral Arms *fluffy like dust bunnies

Barred Spiral Galaxies

Elliptical Galaxies

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Giant Elliptical Galaxies

A Lenticular Galaxy

NGC 5128 in Visible and Infrared Wavelengths

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A Dwarf Elliptical Galaxy

The Large MagellanicCloud (LMC)

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The Small MagellanicCloud (SMC)

Hubble’s Tuning Fork Diagram (again)

The Building Blocks of Galaxies

23‐9: Galaxies formed from the merger of smaller objects

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A Starburst Galaxy

23‐7: Colliding galaxies produce starbursts, spiral arms, and other spectacular phenomena

The M81 Group

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“Some 4¾ billion years from now, the Andromeda Galaxy (M31) will loom large in the night sky as its fateful collision with our Milky Way nears.”

NASA / ESA / Z. Levay / R. van der Marel / T. Hallas / A. Mellinger

• M33 will be involved also

• The Solar System will remain intact but hurled to another location

• 2 Gyr after impact the three galaxies will merge into one big elliptical

Kelly Beatty, Sky and Telescope

Collision Between Andromeda and the Milky Way

Collision Between Andromeda and the Milky Way

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Antenna Galaxy showing intense star forming regions

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Cartwheel Galaxy Formation

And the galaxy itself

Stephan’s Quintet

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Simulation of Future Interactionfor the Quintet

The Distance Ladder

23‐4: Astronomers use various techniques to determine the distances to remote galaxies

A Supernova in  a Spiral Galaxy

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Measuring the Distance to a Galaxy Using Masers

23‐5: The Hubble law relates the redshifts of remote galaxies to their distances from Earth

The Hubble Law

Relating the Distances and Redshifts of Galaxies

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The Hercules Cluster

23‐6: Galaxies are grouped into groups, clusters and superclusters

Groups• Usually 2 or so large galaxies with about 2X1010 Solar 

Masses

• Several dwarf companion galaxies

• More likely to have spirals than ellipticals

• Hot gas (T ~ 107K), dark matter

• Relatively slow moving components 300‐400 kps

• Core radius about 20‐100 kpc

The Local Group

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Local Group

Clusters

• More than 50 large galaxies

• Many more ellipticals than spirals

• Often have a H‐U‐G‐E cD type galaxy in the center of the cluster

• Core radius ~ 1Mpc

• Poor clusters have galaxy speeds ~500‐800 kps, rich clusters as 

much as 1500kps

• Less hot gas within the ellipticals

• Always dark matter within and among

The Coma Cluster

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Why Spirals are in Groups, but Ellipticals are in Clusters

• Spirals are delicate, easily disrupted

• Ellipticals are less organized, entropy

Nearby Clusters of Galaxies

X‐ray Emission from a Cluster of Galaxies

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Clusters to Superclusters

Structure in the Nearby Universe

The Large‐Scale Distribution of Galaxies

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*6dFGS: 100,000 galaxies out to 1E9 light years; 80% of the Southern sky

*Six Degree Field Galaxy Survey

Fly Through

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The Rotation Curves of Four Spiral Galaxies

23‐8: Most of the matter in the universe is mysterious dark matter

Abell 2218 (note gravitational lensing)

Einstein Cross

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Gravitational Lensing by a Cluster of Galaxies

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Hubble 3D Map of Largest single object: dark matter structure 270 million LY across

Seen from ‘Outside’

Key Ideas• The Hubble Classification:Galaxies can be grouped into four 

major categories: spirals, barred spirals, ellipticals, and irregulars.

• The disks of spiral and barred spiral galaxies are sites of active star 

formation.

• Elliptical galaxies are nearly devoid of interstellar gas and dust, and 

so star formation is severely inhibited.

• Lenticular galaxies are intermediate between spiral and elliptical 

galaxies.

• Irregular galaxies have ill‐defined, asymmetrical shapes. They are 

often found associated with other galaxies.

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Key Ideas• Distance to Galaxies:Standard candles, such as Cepheid variables 

and the most luminous supergiants, globular clusters, H II regions, 

and supernovae in a galaxy, are used in estimating intergalactic 

distances.

• The Tully‐Fisher relation, which correlates the width of the 21‐cm 

line of hydrogen in a spiral galaxy with its luminosity, can also be 

used for determining distance. A method that can be used for 

elliptical galaxies is the fundamental plane, which relates the 

galaxy’s size to its surface brightness distribution and to the 

motions of its stars.

Key Ideas

• The Hubble Law:There is a simple linear relationship 

between the distance from the Earth to a remote galaxy and 

the redshift of that galaxy (which is a measure of the speed 

with which it is receding from us). This relationship is the 

Hubble law, v = H0d.

• The value of the Hubble constant, H0, is not known with 

certainty but is close to 73 km/s/Mpc.

Key Ideas

• Clusters and Superclusters:Galaxies are grouped into clusters 

rather than being scattered randomly throughout the universe.

• A rich cluster contains hundreds or even thousands of galaxies; a 

poor cluster, often called a group, may contain only a few dozen.

• A regular cluster has a nearly spherical shape with a central 

concentration of galaxies; in an irregular cluster, galaxies are 

distributed asymmetrically.

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Key Ideas

• Our Galaxy is a member of a poor, irregular cluster called the 

Local Group.

• Rich, regular clusters contain mostly elliptical and lenticular 

galaxies; irregular clusters contain spiral, barred spiral, and 

irregular galaxies along with ellipticals.

• Giant elliptical galaxies are often found near the centers of 

rich clusters.

Key Ideas• Galactic Collisions and Mergers:When two galaxies collide, their 

stars pass each other, but their interstellar media collide violently, 

either stripping the gas and dust from the galaxies or triggering 

prolific star formation.

• The gravitational effects during a galactic collision can throw stars 

out of their galaxies into intergalactic space.

• Galactic mergers may occur; a large galaxy in a rich cluster may 

tend to grow steadily through galactic cannibalism, perhaps 

producing in the process a giant elliptical galaxy.

Key Ideas• The Dark‐Matter Problem:The luminous mass of a cluster of galaxies is 

not large enough to account for the observed motions of the galaxies; a 

large amount of unobserved mass must also be present. This situation is 

called the dark‐matter problem.

• Hot intergalactic gases in rich clusters account for a small part of the 

unobserved mass. These gases are detected by their X‐ray emission. The 

remaining unobserved mass is probably in the form of dark‐matter halos 

that surround the galaxies in these clusters. Particles called WIMPs are 

the favored hypothesis for dark matter.

• Gravitational lensing of remote galaxies by a foreground cluster enables 

astronomers to glean information about the distribution of dark matter in 

the foreground cluster.

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Key Ideas

• Formation and Evolution of Galaxies:Observations indicate 

that galaxies arose from mergers of several smaller gas 

clouds.

• Whether a protogalaxy evolves into a spiral galaxy or an 

elliptical galaxy depends on its initial rate of star formation.