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Galaxien:
●Überblick●Milchstraße
●Elliptische Galaxien●Spiralgalaxien●Zwerggalaxien●aktive Galaxien
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Was wollen wir über Galaxien wissen?
● Arten/Typen
● gemeinsame und spezielle Eigenschaften
● Entstehung; Entwicklung
● Verteilung, Vorkommen
● Energiehaushalt; Energiequellen
● Dynamik; Materie
● galakto-chemische Entwicklung: Elementsynthese; Materiekreislauf
● Verständnis der Milchstraße
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Überblick - Morphologie
● Galaxien haben unterschiedliches Erscheinungsbild
● auch unterschiedliche Eigenschaften?
● Zusammenhang zwischen diesen morphologischen Typen?
● Hubble ordnete morphologische Typen (willkürlich)
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Elliptische Galaxien
● Galaxien mit etwa elliptischen Isophoten
● keine weitere Struktur
● Elliptizität =1-b/a (a, b: große bzw. kleine Hauptachse), von 0 bis etwa 0.7
● Unterklassen En, mit n=10; E0: kreisförmige Isophoten
● offensichtlich Projektions-Effekte wichtig, daher Klassifikation nicht unbedingt aussagefähig
● andererseits Elliptizität auch nicht nur projektions-bedingt
● elliptische Galaxien = "Frühtyp" - ohne Bedeutung
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Spiralgalaxien
● Scheibe mit Spiralarmstruktur und zentraler Verdickung (bulge)
● zwei Hauptklassen: normale (S) und Balken- (SB) - Spiralen; letztere zeigen balkenförmige Struktur vom Bulge ausgehend
● weitere Unterklassen (a, ab, b, bc, c, cd, d) entsprechend dem Verhältnis Bulge zu Scheibe
● werden "früh" bis "spät" genanntBezeichnung ohne jede wirkliche Bedeutung!
● ebenso Spiralgalaxien = "Spättyp" ohne Bedeutung
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Irreguläre Galaxien
● haben wenig (Irr I) oder keine (Irr II) reguläre Struktur
● Spiralsequenz mittlerweile um Spezialtypen erweitert; Klassen Sdm, Sm, Im (m für Magellansche Wolken)
● Große Magellansche Wolke ist SBm
S0-Galaxien● Zwischentyp; linsenförmig (lenticulars); S0 oder SB0
● Bulge und umhüllendes Gebiet ohne Helligkeitsstruktur, bzw. Scheibe ohne Spiralstruktur
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Morphologie
Die Hubble-Sequenz illustriert mit echten Galaxienaufnahmen
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Ein Bilderbuch: Elliptische Galaxien
M32 (E2); Zwerggal.Begleiter von M31
M49 (E1) im Virgo-Haufen
M59 (E5) im Virgo-HaufenM86 (S0 oder E0?)
im Virgo-Haufen
M110 (E6); Zwerggal.Begleiter von M31
NGC5128 (Cen A); E0;pekuliär wg. Radio undRöntgen-Emission; Staubband
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... noch mehr Bilder: Spiralgalaxien
M31 (Sb)Andromeda-Nebel M33 (Sc)
lokale Gruppe
M58 (SBc)Virgo-Haufen
M64 (Sab) in Coma Berenices
NGC1300 (SBc) M104 (Sab)Sombrero-Galaxie
M102 (S0); Spindel-Galaxie im Drachen
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... und immer noch mehr schöne Bilder
IC4182: Irr (Spiral)LMC (SBm)
SMC (Irr)NGC5383 (SBb)
NGC2276 (Sc)
NGC2685 (S0p)
Es gibt noch weitere, in der Hubble-Klassifikation nicht enthaltene Typen
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Leuchtkraft-Funktion für Galaxien
Schechter schlug 1976 eine globale Funktion für die Anzahldichte aller Galaxien als Funktion ihrer Helligkeit vor
L
L✭=✭ L
L✭
exp− L
L✭
wobei typische Werte für die verschiedenen Konstanten sind:
L B ,✭≈1010 L B ,⊙ h−2 oder M B ,✭≈−19.55 log h
✭≈0.01 Mpc−3 h3
≈−1⋯−1.3
M B=−2.5 logL
L B ,⊙
5.48
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Die Milchstraße
● galaktische Koordinaten: sphärisch, mit Zentrum "hier"
– Richtung zum Zentrum und Rotations-Nordpol ausgezeichnet
– Galaktische Ebene (s. Band der Milchstraße)
– b: gal. Breite (Höhe über Galaktischer Ebene); -90 ... +90
– l: gal. Länge (dazu senkrechte Winkelkoordinate); -180 ... +180
– l=0, b=0: Zentrum; b=90o NGP (12h51min; 27.13o in äquatorialen Koordinaten)
● daneben zylindrische Koordinaten mit gal. Zentrum als Ursprung (R,z,)
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Struktur der Galaxie● Typ: Sbc (oder „SAB(rs)ab“?)
● bekannte Komponenten sind:
– Scheibe mit Spiralarmen
– zentraler Bulge
– sphärischer Halo
– vermutlich ein Balken
● Entfernung zum Zentrum (in Richtung Sternbild Sagittarius) R0 = 8.5
kpc (oder 8 s.u.)
● Geschwindigkeit der Sonne um Zentrum 220 km/sec
● Durchmesser der Scheibe etwa 50 kpc
● Halo mindestens ebenso groß
● M = 1.3 x 1012 M⊙; L = 3.6 x 1010 L⊙ ; LB = 2.3 x 1010 L⊙
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Die Milchstraße - Darstellungen
http://adc.gsfc.nasa.gov/
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Entfernungen und Geschwindigkeiten● Vermessung der Struktur und Kinematik der Galaxis
– Entfernungen über Sterne (z.B. Typen bekannter absoluter Helligkeit oder Pulsationsveränderliche) und statistische Methoden (Sternstromparallaxe)
– Geschwindigkeiten:● in radialer Richtung von der Sonne:
Dopplereffekt -> Radialgeschwindigkeit vr
● in tangentialer Richtung als Änderung des Positionswinkels -> Eigenbewegung
● mit Entfernung -> Tangentialgeschwindigkeit
● daraus 3-dim. Bewegung relativ zur Sonnevt=Dv t
k m/ s=4.74 D
1 pc 1 ' ' / Jah r
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Absorption und Extinktion
● Staub und Gas, vor allem in der Scheibe, schwächen Licht (frequenzabhängig -> Rötung)
● einerseits undurchsichtige Scheibe (wir sehen nur nahe Umgebung und außerhalb der Scheibe)
● andererseits bei bekanntem Spektrum und Absorptionsverhalten Möglichkeit der Entfernungsbestimmung
● in Sonnenumgebung ist Absorptionskoeffizient im Visuellen etwa
aV≈1magD
1 kpc
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Anzeichen Dunkler Materie
Bewegung der Sonne um Materie innerhalb ihres Radius
v⊙=GM r⊙r⊙ aus sichtbarer Materie (und
bekanntem stellaren M/L) sowie r⊙
= 8 kpc erwartet man 160 km/s;beobachtet sind aber 220 km/s
also: innerhalb der Sonnenbahn muss mehr Masse sein, als manaus Stern- und Gasabschätzungen erwartet (etwa 2-mal)
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Sternverteilung in der Galaxis● Scheibe besteht aus zwei Komponenten:
– dünne Scheibe: jung, jetzt Sternentstehung; größter Staub- und Gasanteil; etwa solare Metallizität
– dicke Scheibe: älter und weniger aktiv; ebenfalls Z⊙
● Bulge:
– wegen aV = 28 (!) mag nur im IR sichtbar
– zentrale, balkenförmige Verdickung, etwa 1kpc groß; alte und junge Sterne; Metallizität von Z
⊙/2 bis 3xZ
⊙
● sichtbarer Halo:
– Feldsterne und Kugelsternhaufen; alt, metallarm (Z⊙/100); 50 kpc
● Dark Matter Halo:
– mindestens so groß wie sichtbarer Halo; Art der Materie unbekannt
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Daten zur Scheibe
● Sterndichte folgt Exponential- (hier) oder Potenzgesetz (allgemein) mit typischer Skalenhöhe
● Dichteverteilung (aus Sternzählungen)
n r , z= n0 exp− z/ hthin0.02exp− z/ hthickexp−r / h R
neutrales Gas dünne Scheibe dicke Scheibe
M (1010 M⊙) 0.5 6 0.2 bis 0.4
L (1010 L⊙) -- 1.8 0.02
M/LB
-- 3 ??Durchm. (kpc) 50 50 50Skalenhöhe (kpc)0.16 0.325 1.4
w (senkr. Scheibe) 5 20 60 km/sec
[Fe/H] >0.1 -0.5 .. +0.3 -1.6 .. -0.4Alter (Gyr) ?? <12 12 .. 14
hR: 3.5 kpc
n0: 0.02 Sterne/pc3
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Spiralarme der Milchstraße
Sterne umlaufen Massenzentrum auf Kepler-Bahnen (Schwerkraft = Fliehkraft; wie Planeten)
Spiralarmstruktur aufgeklärt durch Beobachtungen in der 21cm-Linie des neutralen Wasserstoffs (Radiobereich)
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Spiralstruktur
● Spiralstruktur wird durch junge, heiße O-Sterne charakterisiert
● alte, rote Sterne weit gleichmäßiger verteilt (geflohen)
● Sonne nahe, aber nicht in einem Spiralarm (Orion-Arm)
Struktur in Sonnenumgebung: links 500 pc, rechts 3 pc
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Stellarer Halo
● sphärisch; Durchmesser 100 kpc ; = 90 km/s( : Geschwindigkeits-Dispersion)
● Dichteverteilung Potenzgesetz r-3.5 ; Skalenhöhe 3 kpc
● Metallizität [Fe/H] = -3 ... -0.5 (Rekordstern -5.4)
● Alter der Kugelsternhaufen 12-14 Gyr (metallreichere etwas jünger)
● Masse 109 M⊙; Leuchtkraft 109 L
⊙ ; M/L = 1
● KSH machen nur 1% der Masse aus (etwa 100 mit je 105 Sternen)
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Der Bulge
● Masse 1010 M⊙; Leuchtkraft 0.3 1010 L
⊙ ; M/L = 3
● Flächenhelligkeits-Profil ähnlich dem von elliptischen Galaxien
● "effektiver" Radius (halbe Zentralhelligkeit) 0.7 kpc
● Balkenform? Skalenhöhe 400 pc; Abplattung 0.6
● Metallizität reicht von [Fe/H] = -1 bis +1 (10x solar!!); Mittelwert 0.3 (2x solar!)
● Alter unklar; auf jeden Fall auch 10 Gyr und darüber, vermutlich auch sehr junge Sterne vorhanden
● unklar, ob Bulge zu Halo, oder zu Scheibe gehört (wichtig für Entstehungs-und Entwicklungsgeschichte)
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Das Galaktische Zentrum
● wo liegt das Zentrum? wie zu definieren?
● Informationen wegen Extinktion nur aus Radio,- IR-, Röntgen-, nicht aber aus optischen Beobachtungen
● optisches Bild in Richtung galaktischer Kern zeigt Gas/Staub-Wolken, viele Nebel und Sternhaufen und "Baades Fenster"
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Radioquelle im Zentrum
Sgr A East:(20cm Kont.)
Sgr A West:(6cm Kont.)
Ring um Kern:(HCN Em.-Linie)
da andere Galaxien oft kompakte Radioquelle im Zentrum haben, ist Sgr A guter Kandidat für Zentrum unserer Galaxie
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Infra-Rot● Position von Sgr A zwischen IR und Radio abgeglichen
● im IR bessere Auflösung (Interferometrie)
● bei 2 µm kompakter Sternhaufen sichtbar, zentriert auf Sgr A*
● wegen hoher Dichte (Stöße) erwartet man nahezu konstante Geschwindigkeit
● aber ~ 55 km/s bei 5 pc, und ~ 180 km/s bei 0.15 pc! zentrale Massenkonzentration!
● Massenbestimmung: M = (2.7 ± 0.4) ⋅106 M⊙ innerhalb 0.01 bis 0.5 pc
(also Punktmasse innerhalb 0.01 pc!)
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Der zentrale Sternhaufen
der zentrale Sternhaufen unddie Bewegung seiner Mitglieder
M(r) innerhalb Sgr A* durch Vermessung der stellarenGeschwindigkeiten (blau); rot: M(r) für zentrale Punktmasse plus Haufen (grün, 2 zentrale Dichten)
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Das Schwarze Loch im Zentrum der Milchstraße
● einige Sterne erreichen bis zu 1400 km/s nur 0.1 arcsec von Sgr A*
● Kepler-Gesetz für v(r) in Sternhaufen (Eigengravitation) nur außerhalb 1 pc
● aber wie Haufen + Punktmasse (Mill. Sonnenmassen) bis zu 0.01 pc-> Schwarzes Loch aufgrund der hohen Dichte (> 1018 M⊙/pc3), am Ort der zentralen Radioquelle Sgr A*
● Sgr A* selbst hat nur < 20 km/s; also auch dynamisches Zentrum
● mittlerweile auch Beschleunigung der Sterne vermessen-> im Brennpunkt steht Sgr A*
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Stern S2 kreist um das zentrale Schwarze Loch
http://www.mpe.mpg.de/www_ir/ir_recent.php#GCDIST
Bewegung des Sterns S2 vermessen (Winkelbewegung);umkreist Schwarzes Loch (Sgr A*) in einigen Jahren;Geschwindigkeiten über Spektroskopie bekannt;aus Integration geometrische Bahnlänge und damit auch Entfernung zu Objekt:
7.94 kpc
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Elliptische Galaxien● Normale Ellipsen: Riesen (gE)
mit MB~-23, normale (M
B~-18) und
kompakte (cE) elliptische Galaxien (MB~-
15); auch S0
● zahlenmäßig größte Gruppe in Galaxienhaufen
● oft dominierende Zentralgalaxie in Haufen; besonders leuchtkräftige werden mit cD (z.B. M87) bezeichnet
● Zwergellipsen (dE): im Vergleich zu cE deutlich kleinere Flächen-helligkeit und niedrigere Metallizität
(M87, Typ E1)
(Isophoten von PKS 2254+07)
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Helligkeitsprofil
● de Vaucouleur-Profil der Flächenhelligkeit:r1/4-Gesetz
Helligkeitsprofilvon NGC4472
log I rI e
=−3.3307[ r
re
1 / 4
−1]I: Flächenhelligkeitr
e: "effektiver" Radius, bei
dem Hälfte der Gesamtleuchtkraft erreicht istI
e: I(r
e)
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Zusammensetzung von Elliptischen
● wenig Gas (früher meinte man: "kein Gas")
– heißes Gas (107 K; Röntgen-Emission)
– H Emission von warmem Gas (104 K)
– kaltes Gas in 21-cm (HI) und CO (100 K)
● aber deutlich weniger als in Spiralgalaxien
– > wenig Sternentstehung , wenig junge, heiße Sterne
● Staub (in etwa 50% aller E-Galaxien); teils als Scheibe
● Metallizität zum Zentrum hin ansteigend
– aus Farbgradient (röter -> mehr Metalle)
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Dynamik von Ellipsen● Abplattung durch Rotation?
– dann Rotationsgeschwin-digkeit v
rot ~ Geschwin-
digkeitsdispersion v
– gemessen aber vrot
/v ≪ 1
– außerdem sind Es triaxial (also keine Rotationsachse)
● Form bestimmt durch Ver-teilung der stellaren Orbits als Resultat der Entstehung bzw. Entwicklung
x: Bulges von Scheibengalaxien•: ellptische Galaxien
-> hellste Es nicht rotationsstabilisiert, sondern durch anisotrope Verteilung im Geschwindigkeitsaum; die Dynamik ist durch das großräumige
Gravitationspotential bestimmt. x: Bulges von Scheibengalaxien•: ellptische Galaxien
-> hellste Es nicht rotations-stabilisiert!
x: Bulges von Scheibengalaxien•: ellptische Galaxien
-> hellste Es nicht rotations-stabilisiert!
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Zentralgebiete elliptischer Galaxien
● einige hilfreiche globale Parameter:
– Kernradius rc
– zentrale Flächenhelligkeit
– zentrale Geschwindigkeitsdispersion
● es existieren z.T. erstaunliche Korrelationen zwischen diesen Größen
● Kerne wichtig für dynamische Entwicklung
I r c=1
2I r=0
0= r=0
2=v2− v2
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Faber-Jackson-Beziehung
Faber-Jackson: Beziehung zwischen zentraler Geschwindigkeitsdispersion und Gesamthelligkeit von elliptischen Galaxien:
L B∝ 04
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Ergebnisse kinematischer Untersuchungen
● leuchtschwache Ellipsen können rotations-abgeflacht sein, helle elliptische Galaxien aber sind anisotrop
● Kerne können gegensinnig rotieren -> Entstehung elliptischer Galaxien nicht aus gleichförmigem Kollaps einer großen Gasmasse, sondern eher aus Verschmelzen kleinerer Teile
● hohe Geschwindigkeiten(-dispersionen) im Zentrum: Hinweis auf Existenz Schwarzer Löcher (in einigen elliptischen Galaxien)
● ebenso in äußeren Bereichen Anzeichen von Dunkler Materie (Bewegung von 'Testteilchen'); steigt nach außen an
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Fundamental-Ebene von Elliptischen● globale Parameter von elliptischen Galaxien:
– Effektivradius re
– mittlere Flächenhelligkeit Ie innerhalb r
e
– zentrale Geschwindigkeitsdispersion c
– Leuchtkraft L (oder MB)
– Masse M
● stehen in Beziehung zueinander über
I e=L
2 re2
M
re
=c 02 re= c
2 M
L −1
02 I e
−1
Def. der mittl. Flächenhelligkeit; Virial-Gleichgewicht --> erwartete Beziehung
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Fundamental Plane / 2
● man erwartet, da M/L und c (Struktur-Parameter, der Details der Galaxienstruktur enthält) etwa gleich für alle Es sein sollte, dass r
e, I
e, und
c eine Hyperfläche beschreiben sollten
● tatsächlich gefunden, mit erstaunlich wenig Dispersion (<10%)
● empirischer Befund:
● entspricht Erwartung, falls:
● also: Dynamik, M/L, DM, etc. variieren kaum!
re∝ c1.4 I e
−0.85
2c M
L ∝ M0.2∝ L0.25
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Populationen in elliptischen Galaxien● Ell. Galaxien sind "rot" und zeigen integrierte Spektren wie Rote Riesen ->
es fehlen massereiche junge Sterne, alte dominieren -> dominierende Population > 5 Mrd. Jahre alt
● rote Farben kann aber auch Folge von hohem Metallgehalt sein-> Alter-Metallizitäts-Entartung; verhindert genaue, unabhängige Bestimmung von beidem
● Ell. Gal. scheinen aber sowohl metallreich (bis super-solar) und alt zu sein (im Gegensatz zur galaktischen Population I)
● gleichzeitig Überhäufigkeit von Elementen wie O, Mg, Ca (-Elemente, da durch -Einfang auf O in Supernovae II entstanden)-> hohe Sternentstehungsrate zu Beginn der Entwicklung, dann stark abfallend
● Metallgehalt radial abfallend, also abnehmende Sternentstehung
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Spiralgalaxien
● Trends innerhalb Spiralsequenz (von a- bis c-Typen):– abnehmendes Bulge-zu-Scheibe-L-Verhältnis (0.3 zu 0.005)
– zunehmender Öffnungswinkel der Arme (von 6o zu 18o)
– Helligkeitsstruktur entlang der Arme nimmt zu (glatt zu klumpig)
● Helligkeits-/Massenbereich von Spiralen kleiner als bei Ellipsen:-16 > M
B > -23; 109 < M/M⊙ < 1012
● es gibt zwar Zwerg-Ellipsen, aber keine Zwerg-Spiralen (stattdessen Zwerg-Irreguläre)
(M81 in UMa; Sb)
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Helligkeitsprofil
● Bulge und Scheibe unterschiedliche Profile
● Bulge: de Vaucouleur-Profil (wie elliptische Galaxien)
– Scheibe: Exponential-Gesetz (wie unsere Scheibe)
r=e8.3268[ r
re
1 / 4
−1] ∝2.5 log I
r=01.09 r
hr
●µ0: zentrale Helligkeit der Scheibe (in Magnituden); nicht direkt messbar,
sondern nur aus Extrapolation des Gesetzes zu r=0 erhältlich; empirisch: relativ einheitlich für alle Sub-Typen 21.5-22.7 B-mag/arcsec2
●hr: Skalenlänge der Scheibe
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Rotationskurven● einfach zu messen für Spiralen, die von der Seite gesehen werden
(Dopplereffekt)
● Inklination korrigierbar (Annahme: kreisförmig)
● Spektrallinien von Sternen und 21cm-Linien des HI-Gases (neutraler H): HI-Scheibe meist deutlich größer als Sternscheibe
● Befund:Rotationskurven von Spiralgalaxien fallen nicht ab für r > h
r, wie aus Lichtverteilung zu erwarten, sondern bleiben flach
● daher: Dynamik von Materie bestimmt, die nicht wie Sterne leuchtet -> Dunkle Materie
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beobachtete Rotationskurven
Beispiele von Rotationskurven;alle flach;Amplitude höher für früheTypen
NGC3198: beobachteteRotationskurve und ab-geleiteter Effekt durchHalo Dunkler Materie
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Stellare Populationen und Gasgehalt
● Farbe (B-V): 0.75 (Sa), 0.52 (Sb), 0.52 (Sc), 0.3 (Irr)
– zur Erinnerung: kleine Werte <=> blauer
● also höherer Anteil massereicher (junger) Sterne
● auch entlang Spiralarme: knotige Sc-Arme -> junge Sterne
● zunehmend aktivere Sternentstehung mit Galaxientyp
● Gasanteil höher entlang Hubble-Sequenz:
– <Mgas
/Mtot
>=0.04, 0.08, 0.16, 0.25 (Sa, Sb, Sc, Irr)
● Farbgradient: röter innen wegen
– Metallizität (höher innen; Bulge!)
– weniger Sternentstehung (weniger Gas im Bulge), also ältere Sternpopulation
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Spiralstruktur
● könnten "materiell" sein, also aus Sternen und Gas bestehen, die wie Rest der Scheibe um Zentrum rotieren
● aufgrund der notwendigen differentiellen Rotation aber müssten sie sich sehr schnell aufwickeln (Umlaufszeit ca. 108 Jahre)
● Spiralarme sind quasi-stationäre Dichtewellen
● Dichte 10-20% höher als in Umgebung
● in Welle eintretendes Gas wird komprimiert, kann Kollaps beginnen -> Sternentstehung -> blaue Farbe
● viele der jungen Sterne schon wieder verloschen, wenn Dichtewelle vorüber
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Schwarze Löcher in Spiralgalaxien
● Wiederholung: Schwarzschild-Radius ist
● ein schwarzes Loch kann also erwartet werden, wenn die Massenkonzentration innerhalb eines Volumens genügend groß ist
● für Sonne ist rS=3 km; für das BH im Galaktischen Zentrum etwa 7.5
Mill km (6 µarcsec) -> nicht auflösbar!
● Geschwindigkeiten um BH bis über 1000 km/s
● charakteristische Geschwindigkeit im Abstand r vom BH mit Masse Mbh
ist
r S=2GM
c2
r S=2.95⋅1 05 c m M
M⊙
GMb h/ r
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● für genügend kleine Radien wird Kinematik der Umgebung vom BH alleine bestimmt
● als Winkel: ~ 0.1 arcsec/Abstand in Mpc; nahe Galaxien!
● also hohe Auflösung (Hubble Space Telescope) notwendig, um Kinematik nahe genug an BH messen zu können
● je schlechter Auflösung, desto höher muss MBH
für Nachweis sein
● BH, falls Geschwindigkeitsdispersion (oder Rotation) nach innen ansteigt, etwa wie
● Probleme: Projektionseffekte und komplizierte Orbit-Kinematik
rB H=GMB H
2~0.4 MB H
106 M⊙
100k m/ s −2
pc
Entdeckung Schwarzer Löcher
∝ r−1/ 2
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Kinematik im Kern von M84
M84: D=15 Mpc (Virgo-Haufen); MBH
~ 3 x 108 M⊙
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Maser-Quelle um Kern von NGC4258oben:Kern der (Seyfert-)Galaxie mit der leicht verbogenen Scheibe um die zentrale Energie-quelle mit Jets energiereicher Partikel; Farben sollen Doppler-Verschiebung illustrierendarunter Spektrum mit Maser-Emission
Mitte:Spektrallinie; mit Doppler-Verschiebung;best-fit Scheibe darüber gelegt
unten:20cm Aufnahme
Ergebnis:M
BH=3.5 x 106 M⊙; Abweichung von Kepler-Rotation
weniger als 1%aus Beschleunigungsmessung auch Entfernung bestimmt!
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Überblick über supermassive Schwarze Löcher in Spiralgalaxien
● z.Zt. etwa 40 Galaxien mit SBH; bis 109 M⊙
● MBH
korreliert mit Helligkeit des Bulges (mit Streuung)
● bessere Korrelation mit des Bulges
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Zwerg-Galaxien
1. Dwarf Ellipticals (dE) und Dwarf Spheroidals (dSph)
• ähnlich den Elliptischen; keine jungen Sterne
• Profile von dV- bis Exponential-Gesetz (wie Scheiben)
2. Dwarf Irregulars (dIrr)
• Knoten in Helligkeits-Profil -> Sternentstehung
• HI Verteilung größer als die der Sterne
• Blue Compact Dwarfs: Extremfall mit Starburst in einer sehr hellen Region; möglicherweise in einigen Gebieten zum ersten Mal Sternentstehung
• i.A. alt mit zusätzlichen jüngeren Starbusts
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NGC 2915 dIrr
weiß/gelb: optisch blau: HI
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Kinematik in Zwerggalaxien
• dE: ähnlich den großen Ellipsen LB
~ c2.5...3
• ebenfalls zuwenig Rotation -> anisotrope Orbits
● bei sehr niedrigem L -> sehr hohes M/L (bis 100 rel. zu solar)
● scheinen daher sehr stark und überall von DM dominiert zu sein!
● einige (Dra) scheinen fast nur aus DM zu bestehen...
• auch bei dIrr: schwächste Galaxien völlig DM-dominiert•kinematische Daten vor allem von HI•bei gleicher Helligkeit Geschwindig-keiten in dE und dIrr gleich
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Aktive Galaxien● Active Galactic Nuclei (AGNs)
● kompakte, sehr helle Kerne (Zentren); Skala 3 pc
● hell im UV (blau)
● Emissionslinien, verbreiterte Absorptionslinien
● nicht-thermische Strahlung
● „super-luminal motion“
● Röntgen-Emission
● Radio-Emission auf großen Skalen (kpc-Mpc); Jets
● Variabilität über kurze Zeitskalen (Minuten-Tage)
● Leuchtkräfte:
● mittlerweile in allen Fällen Galaxien-Natur bestätigt
● in näherer Umgebung der Milchstraße sehr selten
Lnuc=1045−1048 erg / s≃1012−1015 L⊙
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AGN-Typen
1. Radio-Galaxien
hohe Radioleuchtkraft Cyg A: 1011
Emission meist aus großen Gebieten außerhalb der eigentlichen Galaxie (radio lobes)
Lobes haben Ursprung in Jets aus Zentrum der Galaxie
Synchrotron-Emission relativistischer Elektronen
Radio-Galaxien sind gigantische Teilchenbeschleuniger
gefunden bis Rotverschiebung z=4-5
50% E0/S0-Galaxien, 50% Quasare (s.u.)
Jets reichen bis 0.1-0.5 Mpc; erscheinen manchmal nur auf einer Seite
Lradio≥108 L⊙
Ee≃1012 eV
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Radio-Galaxie NGC 383 = 3C31
blau: optisch rot: Radio
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Radio-Galaxie Centaurus A
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M87 und JetM87 ist Zentralgalaxie im Virgo Haufen;
17 Mpc entfernt;
Jet ist stark kollimiert; Schocks (Stöße) sichtbar; Synchrotron-Emission
Radio-Galaxie Cygnus A
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AGN-Typen
2. Quasare (QUAsi-StellAr Radio Source)
1963 entdeckt B. Schmidt: Radioquelle 3C273 hat optisches ("stellares") Gegenstück; Jet; z=0.158 (damals am weitesten entfernte Quelle; 500 Mpc); daher M
B=-23.5 ->100mal heller als normale Galaxien
breite Emissionslinien -> hohe Geschwindigkeiten
Radiospektrum stückweise Potenzgesetz (~-0.7); Synchrotronstrahlung
leuchtkräftigste Unterklasse der AGNs
Statistik:entweder: Quasare leben lange, dann macht nur 1 von 100 Galaxien einen Quasaroder: jede Galaxie ist einmal ein Quasar gewesen, dann aber nur für 107 Jahre
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Quasar-Spektrum
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Seyfert-Galaxien
3. Seyfert-Galaxien 1943 von Seyfert eingeführt: Galaxien mit Kern sehr hoher Flächenhelligkeit
2 Untertypen: Seyfert 1 und 2
Spiralgalaxien
optisches Spektrum von Seyfert 1 ähnlich dem von QSO (s.u.)
4. BL Lac Objekte (nach Prototyp benannt)
AGN mit stark variierender Strahlung
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NGC 7742 (Seyfert-Galaxie)
beachte den strahlenden Kern und die Spiralstruktur
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AGN-Typen
5. QSO (Quasi-Stellare Objekte) punktförmige Quellen mit sehr blauer U-B Farbe
ursprünglich gesucht, um optische Gegenstücke zu Quasaren zu finden; man fand aber noch viel mehr
viele sind Radio-ruhig
starke und breite Emissionslinien
hohe Rotverschiebung (keine in unserer "Umgebung")
(10-mal) häufiger als Quasar
weil so extrem leuchtkräftig, überstrahlen sie ihre Mutter ("host")-Galaxie
bei den schwächeren hat man mit HST die Galaxien gefunden
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Quasare sitzen in Galaxien
HST hat nachgewiesen, dass Quasare in den Zentren von Galaxien sitzen
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Physik und Struktur von AGNs
● Größe:– Variabilität: aus Zeitskala kann Obergrenze für Größe des betroffenen
Gebietes abgeschätzt werden, indem die Dauer des betreffenden Prozesses ignoriert und die Lichtgeschwindigkeit verwendet wird
– es ergeben sich für Zeitskalen von Tagen Größen von 0.001 bis 0.01 pc
– Schwarzschild-Radius für supermassive BHs von 10-7 bis 10-3 pc (106 bis 109 M⊙)
● Leuchtkraft-Quelle: Alternativen zu Schwarzen Löchern?
– Sterne: erfordert zu hohe Sterndichte, die nicht lange stabil sein würde
– Supernovae: benötigt 1010 Sterne, die SNe machen (permanent)
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Die Energie-Quelle
● Standard-Annahme: Akkretion auf supermassives Schwarzes Loch
● Masse: 106 bis 109.5 M⊙
● akkretiert 10-4 bis 10 M⊙ pro Jahr aus einer Scheibe
● Jets und nicht-thermische Strahlung kommen von rotierender Magnetosphäre der Akkretionsscheibe
● Gravitations-Energie wird transformiert in thermische Energie und Strahlung
● Schematisches Bild:
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Das "unified model" für AGNs
● Schwarzes Loch im Zentrum; 106 bis 1010 M⊙
● Akkretionsscheibe erstreckt sich bis 100-1000 RS; emittiert Röntgen,
EUV, UV, optisch, auch TeV-Elektronen● Broad-Line-Region: Wolken dichteren Gases, die mit bis zu 10.000 km/s
um das BH rotieren und bis 0.1..1 pc reichen; Emission von breiten Linien;
● Narrow-Line-Region: Wolken dünneren Gases bis einige pc; Emission der schmaleren Linien;
● Staub/Molekül-Torus mit innerem Radius von 1 pc und äußerem von 50-100 pc; IR-Emission
● Jets: Synchrotron-Strahlung über ganzes Spektrum; von 0.1 bis 106 pc● die unterschiedlichen AGN-Typen ergeben sich dann aus Blickwinkel
und Entwicklung/Typ der Host-Galaxie
ne≈109−1010 cm−3
ne105 c m−3
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Superluminal Motion
● einige Radioquellen scheinen sich mit mehrfacher Überlichtgeschwindigkeit von der zentralen Quelle weg zu bewegen
● ist aber nur Folge der Projektion und einer intrinsisch relativistischen Geschwindigkeit (erklärbar wieder nur, wenn man nahe an einem Schwarzen Loch ist)
vapp= r
t=
v tes in
te1−cos
te: Zeitpunkt der Emission eines
weiteren Signals
=v/c =1/1−2