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3. Eigenschaften normaler Galaxien

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Presentation Transcript

  1. 3. Eigenschaften normaler Galaxien 3.1 Helligkeitsprofile 3.2 Größe 3.3 Leuchtkraft 3.4 Spektrale Energieverteilung3.5 Verschiedene Spektralbereiche 3.6 Interstellares Medium3.7 Kinematik und Massen 3.8 Korrelationen 3.9 Entwicklungsmodelle 3.10 Spiralstruktur

  2. WH 3.5 MSS in verschiedenen Spektralbereichen

  3. 3.6 Interstellares Medium WH Hubble-Sequenz Anteil junger Sterne nimmt zu disky E Irr reine E heißes Gas dominiert Anteil kühler ISM (HI, H ) nimmt zu 2

  4. 3.7 Kinematik und Massen 3.7.1 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

  5. Prinzip der Messung von Raumgeschwindigkeiten Kinematik v

  6. Prinzip der Messung von Raumgeschwindigkeiten v Kinematik r v • Radialgeschwindigkeit vDoppler-Effekt v /c = Dl / l r r

  7. Prinzip der Messung von Raumgeschwindigkeiten v Kinematik r v r t m v • Radialgeschwindigkeit vDoppler-Effekt v /c = Dl / l • Transversalgeschwindigkeit v aus Eigenbewegung m( “/ Jahr) und Entfernung r: v = r tanm r r t t

  8. Prinzip der Messung von Raumgeschwindigkeiten v Kinematik r 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 20 000 Jahren!)

  9. 3.7 Kinematik und Massen W Linie WH 3.7 W% s (A) Ungeordnete Bewegung  Linienverbreiterung vr Linie v > 0 sys l l 0 sys Bemerkungen: • Messung am besten an Em.linien, Abs.linien schwieriger • bedeutsam vor allem: Ha (HII) und 21-cm-Linie (HI)

  10. 3.7 Kinematik und Massen 3.7 Dl% v (B) Rotation  Linienverschiebung r Dl < 0 v< 0 r v> 0 sys v> 0 Dl > 0 r l l 0 sys Bemerkungen: • Messung am besten an Em.linien, Abs.linien schwieriger • bedeutsam vor allem: Ha (HII) und 21-cm-Linie (HI)

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

  12. 3.6.2 „Rotationskurven“ (RK) von Spiralgalaxien

  13. 3.7.3 Ergebnisse (A) Scheiben von Spiralgalaxien 3.6.3 Im Allgemeinen ist v >> s  v (R) (= Rotationskurve) untersuchen! max v • Ergebnisse: • typische Form der RK • ~ const für R = R ... R • fester Hubble-Typ: v %L (Tully-Fisher-Relation) • festes L: vfür Sa größer als für Sc (stärkere Konzentra-tion zum Zentrum) • wellenförmige Struktur hängt mit Spiralstruktur zusammen starre Rotation Differentielle Rotation (W~ 1/R) v v max P 25 rot 1/4 max v max max R ~5 kpc ~ R 25

  14. Beispiele für gemessene Rotationskurven von Sb-Galaxien (links) und Sc-Galaxien (rechts); (Rubin et al. 1980...1985) 3.6.4 Bemerkung: größte gemessene Rotationsgeschwindigkeit ca. 500 km/s

  15. ungeordnete Bewegungskomponente dominiert  können Bulges und E überhaupt Rotationsellipsoide sein? • s % L (Faber-Jackson-Relation) 1/4 v 3.7.3 Ergebnisse (B) Bulges und Elliptische 3.6.5 Mögliche Formen von Rotationsellipsoiden: • Oblater Sphäroid („Pfannkuchen“) • Prolater Sphäroid („Zigarre“) ( a = b > c ) ( a > b = c )

  16. Modellierung: 3.6.6 • 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 )

  17. 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

  18. - Bewegungsgleichungen-Gl.n: (Potenzial  Dynamik) Virialsatz: | E | = 2 E pot kin 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? Ja ok

  19. 1 „Kepler-Rotation“ • Erwartung (Intensitätsprofil): v ~ rot - Beobachtung: v . const rot „flache Rotationskurven“ wR (B) Deutung der flachen Rotationskurven 3.6.8

  20. (B) Deutung der flachen Rotationskurven 3.6.8 v rot Beobachtung: flache RK v max Erwartung: Kepler-Rotation R ~5 kpc ~ R 25 • Lösungsansätze: • Newtonsche Dynamik bzw. Gravitationstheorie modifizieren • Galaxien sind in ausgedehnte DM-Halos eingebettet

  21. (B) Deutung der flachen Rotationskurven 3.6.8 * • Newtonsche Dynamik bzw. Gravitationstheorie modifizieren Modified Newtonian Dynamics (MOND) alternative Gravitationstheorien (STVG, MSTG, RGGR) (*) Allgemein-Relativistische Korrekturen sind irrelevant, daF << c 2

  22. (B) Deutung der flachen Rotationskurven 3.6.8 Modified Newtonian Dynamics (MOND) m Newton II: F = m a N MOND: F = m am (a/a ) M 0  Füra < a istm%aF % F 0  2 M N a -10 a ~ 10 m s -2 Nachweis mit LISA (2012+) ? 0

  23. (B) Deutung der flachen Rotationskurven 3.6.8 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 ~ 10 pro 100 kpc *) • Korrekturen der Rotationsgeschwindigkeit im Vergleich zu Newtonscher Dynamik: v ~ v1 - g -7 ( c 2 ) 2 2 F RGGR Newt Newt -7 mit g ~ 10 über Dimension einer Galaxie! -17 * Variation im Sonnensystem um Faktor 10

  24. (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)

  25. Typische Massen und Masse-Leuchtkraft-Verhältnisse 3.6.10 10 u u u Vergleich: Sonnenumgebung (Sternzählungen): m/L ~ 1

  26. (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:1102.2188

  27. (C) Schlussfolgerungen • DM – Szenario • auf großen Skalen sind Galaxien DM-dominiert (DM-Halos) • DM-Halos bestehen nicht aus (normaler) Sternpopulation (etwa wie Sonnenumgebung)

  28. 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) = (0.2...0.4) v (R) rot rot rot, Halo rot, Scheibe Beobachtung: Halo- und Scheibenobjekte folgen etwa der gleichen Rotationskurve Schlussfolgerung: DM-Halo ist etwa sphäroidal

  29. (2.) Kinematik von polaren Ringen (pekuliare Galaxien) Ring Scheibe Ring Sind die DM-Halos flach oder sphäroidal? 3.6.14 Beobachtung: gleiche Rotations-kurve für Halo und Scheibe Schlussfolgerung: DM-Halo ist etwa shäroidal

  30. Masseverteilung im DM-Halo: aus konstanter RK folgt M % R  und wegen dM = r 4pR dR folgtr % 1/R  Ansatz: r = dM /dR = const R R 2 R 2 r 0 2 1 + (R/R ) 0 (nicht-singuläres isothermes Profil) (C) Schlussfolgerungen

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

  32. (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

  33. (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?

  34. (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

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