kupy galaxií – lekce i
DESCRIPTION
Kupy galaxií – lekce I. Pavel Jáchym Astronomický ústav AV ČR. Rozvrh. Lekce 1: Úvod, kupy a skupiny galaxií Lekce 2: Vlivy prostředí v kupách galaxií Lekce 3: Numerické simulace. Lekce 1. Kupy a skupiny galaxií Základní vlastnosti Klasifikace ICM Místní skupina - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
RozvrhRozvrh
Lekce 1: Úvod, kupy a skupiny galaxiíLekce 2: Vlivy prostředí v kupách galaxiíLekce 3: Numerické simulace
Lekce 1Lekce 1
Kupy a skupiny galaxií◦Základní vlastnosti◦Klasifikace◦ICM◦Místní skupina◦Coma cluster, Virgo cluster
Hierarchický scénář tvorbystruktur ve vesmíru
Lekce 2Lekce 2Mezigalaktický plynVlivy prostředí na galaxie v kupách
◦slapové interakce◦splynutí galaxií◦hydrodynamické efekty
Lekce 3Lekce 3
Numerické simulace◦Stromové algoritmy◦SPH metoda◦gas stripping – vyfukování
plynu z galaxií vlivem tlaku mezigalaktického prostředí
◦Kosmologické simulace
Základní vlastnostiZákladní vlastnosti skupiny: 3 – 30 jasných galaxií kupy: 30 – 1000 členů
◦ velikosti: 1 – 10 Mpc; velký počet trpasličích galaxií horký mezigalaktický plyn (intracluster medium, ICM), TICM~107-108 K MICM+Mgal ~ 0.1Mvirial => DM hmotnosti: 1012 až >1015 Msun katalogy obsahují tisíce kup
KlasifikaceKlasifikace
Podle bohatosti, koncentrace, pravidelnosti či typu galaxiíPravidelné kupy
◦ Kompaktní, sférické, koncentrované◦ 30% E, 45% S0, 20% S◦ obří eliptická galaxie v centru◦ X-ray luminous◦ např. Coma cluster
Nepravidelné kupy◦ Nesymetrické, nekoncentrované, více center (jak pro galaxie tak pro X-ray)◦ 50% S, 30% S0, 15% E◦ Např. Virgo cluster
Klasifikace, pokr.Klasifikace, pokr. Abellův katalog (asi 7000 kup)
◦ 6 tříd podle bohatosti (richness)◦ počet galaxií s magnitudou mezi m3+2, kde m3 odpovídá 3. nejjasnější galaxii◦ kompaktnost◦ 7 tříd podle vzdálenosti◦ Neobsahuje Virgo; Coma = A1656
Zwickyho katalog◦ podle bohatosti◦ tři třídy podle tvaru kup: kompaktní, středně kompaktní a otevřené
Bautz-Morganova klasifikace◦ rozšiřuje Abellovu klasifikaci o relativní kontrast nejjasnějších galaxií:◦ Typ I – jedna obří eliptická galaxie◦ Typ III – nemá jasné dominantní členy
Rood-Sastryho klasifikace – tuning-fork podle celkové morfologie
Virgo ClusterNejbližší velká kupa k Místní skupiněRelativně volná kupa, dvě centra: kolem jasných eliptických
galaxií M87 (severní) a M84 (jižní)Vlastnosti:
◦ vzdálenost: ~18 Mpc◦ velikost: ~ 2 Mpc◦ 2500 galaxií (hlavně dwarfs)◦ hmotnost: ~1014 Msun
Tvoří střed Místní nadkupy galaxií
Kupa v souhvězdí PannyKupa v souhvězdí Panny
Kupa v souhvězdí Vlasů BerenikyKupa v souhvězdí Vlasů Bereniky
Coma ClusterObsahuje až 3000 galaxií
◦ vzdálenost: ~100 Mpc◦ velikost: 5 – 10 Mpc◦ hmotnost ~1015 Msun
Leží poblíž severního pólu MW – mimo prachV centru dvě obří eliptické galaxie (NGC 4889
a NGC 4874)E galaxie se nacházejí uvnitř kupy (až do vzdálenosti 1 Mpc),
Sp jen na okrajiS kupou Leo tvoří Coma supercluster
Viriálová hmotnostViriálová hmotnost
Viriálový teorém◦ v uzavřeném systému platí:
Sféricky symetrické rozložení hmoty M v poloměru R:a=3/5 pro hom.sféru
Typická rychlost částic:
Z pozorované teploty či disperze rychlostí a rozměru systému pak lze odhadnout jeho hmotnost
potkin2
1EE
R
MGaE
2
pot
2kin
2
1 ME
)Mpc 1/(
)103.2/()s km 1000(~
sol14
212
R
MM
R
MG
Mezigalaktický plyn (ICM)Mezigalaktický plyn (ICM)Emise v RTG oboru:
◦ thermal bremsstrahlung (f-f přechod) vysoce ionizovaného plynu – v kontinuu◦ ICM lze pozorovat až do vzdál. 1-2 Mpc od centra kupy◦ malá část je v čarách (čáry Fe, O, Mg, Si, Ne, …)◦ hustota ~ 10-4-10-2 cm-3, teplota ~ 107-108 K◦ ICM není původní (Z ~ 0.4 slunečního)◦ V prvním přiblížení je ICM
v hydrostatické rovnováze◦ ROSAT: Coma & Virgo:
Rozložení ICM vs. galaxiíRozložení ICM vs. galaxiíObě složky v potenciálu DM
◦ Musí existovat vztah mezi jejich rozložením a typickými rychlostmi. Poměr specifické kinetické energie galaxií a specifické tepelné energie plynu:
◦ Typická hodnota β=2/3◦ DM i ICM se modelují pomocí tzv. β-profilu:
◦ Kombinace dvou izotermálních modelů většinou lépe fituje RTG emisi ICM plynu.
2ICM
2gal
2galp
2galp
3
)2/3(
)2/1(
kT
m
kT
m
2/32
c0 1)(
r
rr
ρ0 …hustota v centru kupyrc … „core radius“
Výpočet hmotnosti kupy z ICMVýpočet hmotnosti kupy z ICM Z předpokladu hydrostatické rovnováhy ICM:
+ ideální plyn
Hmotnost kupy:
Ovšem nepozorujeme přímo T, ρ, r…
rrd
Td
rd
d
Gm
kTrM
ln
ln
ln
ln
)(
p
2
)(
r
rGM
dr
dP
Místní skupinaMístní skupinaObsahuje 39 galaxií včetně
Mléčné dráhy a galaxie M31 v Andromedě:◦ velikost: ~1 Mpc◦ 5 jasných galaxií (M31, MW,
M33, LMC, IC10)3 spirální (MW, M31, & M33)22 eliptických (4 malé Es &
18 dEs)14 nepravidelných Hmotnost ~5 1012 Msun
Nadkupy galaxiíNadkupy galaxií= kupy kup galaxiínejvětší objekty (struktury) ve vesmíruVirgo superclustervlastnosti:
◦ rozměry až do 50 Mpc◦ hmotnosti 1015 to 1016 Msun
◦ 90-95% prázdné prostory (voids)◦ dlouhé vláknité struktury
2dF Galaxy Redshift Survey
Houbovitá struktura vesmíru na velkýchškálách
Filamenty:◦ Rozsáhlé řetězce nadkup◦ zabírají ~10% vesmíru
Voids: prázdné bubliny◦ 25-50 Mpc v průměru◦ 5-10x méně galaxií než v nadkupách
Great Walls (Sloan, Coma):◦ 150 Mpc x 60 Mpc x 5 Mpc◦ Hmotnost ~2 10^16 Msun◦ Největší známé struktury
Voids, Filaments & WallsVoids, Filaments & Walls
Vznik struktur – hierarchický scénářVznik struktur – hierarchický scénářDensity enhancements at the time of recombination (origin
in quantum fluctuations that expanded to galaxy-sized objects during the inflation era) have two routes to go:◦ top-down scenario: large structures of the size of galaxy clusters formed first,
than latter fragmented into galaxies radiation smoothed out the matter density fluctuations to produce large „pancakes“
which accrete matter after recombination and grow until they collapse and fragment into galaxies. Advantage: predicting of large sheets of galaxies with low density voids between the sheets. Clusters form in sheets intersections.
◦ bottom-up scenario: dwarf galaxies formed first, than merged to produce larger galaxies and galaxy clusters the initial density enhancements (of the size of small galaxies today) collapsed from
self-gravity into dwarf galaxies. These attract each other by gravity and merge to form larger galaxies. By gravity, they cluster together to form filaments and clusters. Gravity is the mechanism to form larger and larger structures.
Vznik struktur, pokr.Vznik struktur, pokr. Each scenario has its own predictions for the present appearance of the
Universe. Both require a particular form for dark matter:◦ Hot DM: t-d scenario requires dark matter composed of weakly interacting
high-velocity particles (a massive neutrino)◦ Cold DM: b-u scenario requires DM composed of highly-massive slow-
moving particles There is a strong evidence that galaxies formed before clusters
stars in galaxies are 10 – 14 billion years old, but many galaxy clusters are still forming today. This supports the bottom-up process.
Large-scale structuresgalaxies are not distributed evenly but in large scale structures (clusters,
filaments and voids)the distribution of galaxies from redshift surveys is exactly in-between the
HDM and CDM predictions, such that a hybrid model of both HDM and CDM is needed to explain what we see.
Sunyaev-Zeldovich effect (SZE)Sunyaev-Zeldovich effect (SZE) Distortion of the cosmic microwave background radiation by high energy
electrons through inverse Compton scattering Such distortions of the cosmic microwave background spectrum thus
reflect the density perturbations of the universe. SZ-effect => observation of dense clusters of galaxies its magnitude is independent of redshift (a scattering effect)
◦ clusters at high-z can be detected just as easily as those at low redshift!
◦ Further, relation between the angular scale and redshift facilitates detection of high-redshift clusters