3. Eigenschaften normaler Galaxien

3.1 Helligkeitsprofile 3.2 Größe 3.3 Leuchtkraft 3.4 Spektrale Energieverteilung 3.5 Interstellares Medium 3.6 verschiedene Spektralbereiche 3.7 Kinematik und Massen 3.8 Korrelationen 3.9 Entwicklungsmodelle 3.10 Spiralstruktur

3.7.1 Allgemeine Bemerkungen

- 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).

Warum sehen Galaxien so aus wie sie aussehen?

3.7 Kinematik und Massen

Galaxien = „selbstgravitierende“ Systeme

Kinematik

v

Prinzip der Messung von Raumgeschwindigkeiten

Kinematik

v

v r

• Radialgeschwindigkeit v

Doppler-Effekt v /c =

rr

Prinzip der Messung von Raumgeschwindigkeiten

Kinematik

v

v

v r

t

• Radialgeschwindigkeit v

Doppler-Effekt v /c =

• Transversalgeschwindigkeit v aus Eigenbewegung ( “/ Jahr) und Entfernung r: v = r tan

r

t

t

rr

Prinzip der Messung von Raumgeschwindigkeiten

Kinematik

v

v

v r

t

r

Aber: In Extragalaktik im Allgemeinen nur v messbar !

Dennoch sind begründete Aussagen über Kinematik möglich!

r(z.B.: für Sterne in M31 ~ 1“ in 20 000 Jahren!)

Prinzip der Messung von Raumgeschwindigkeiten

3.7 Kinematik und Massen

3.7

(A) Ungeordnete Bewegung Linienverbreiterung

• Messung am besten an Em.linien, Abs.linien schwieriger

• bedeutsam vor allem: H(HII) und 21-cm-Linie (HI)

Bemerkungen:

W~Linie vr

WLinie

0 sys

v > 0sys

WH

3.7

3.7 Kinematik und Massen

(B) Rotation Linienverschiebung vr

v < 0

v > 0

v > 0sys

r

r> 0

0 sys

< 0

Bemerkungen: • Messung am besten an Em.linien, Abs.linien schwieriger

• bedeutsam vor allem: H(HII) und 21-cm-Linie (HI)

3.6.13.7.2 Messung der Rotationskurven (RK) v (R)r

Einfache Methode für entferntere Galaxien: Langspaltspektroskopie

Bemerkung: Korrektur bzgl. Neigung zur Sichtlinie aus beob. Achsenverhältnis a / b

´´

sys

Nachthimmelslinien

3.6.2„Rotationskurven“ (RK) von Spiralgalaxien

3.6.33.7.3 Ergebnisse (A) Scheiben von Spiralgalaxien

Im Allgemeinen ist v >> max v v (R) (= Rotationskurve) untersuchen!

Differentielle Rotation (1/R)starre

RotationErgebnisse:

• 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

vmax P 25

max

1/4

max

R

vrot

~5 kpc ~ R 25

vmax

3.6.4

Beispiele für gemessene Rotationskurven von Sb-Galaxien (links) und Sc-Galaxien (rechts); (Rubin et al. 1980...1985)

Bemerkung: größte gemessene Rotationsgeschwindigkeit ca. 500 km/s

3.6.5(B) Bulges und Elliptische

1. ungeordnete Bewegungskomponente dominiert können Bulges und E überhaupt Rotationsellipsoide sein?

2. ~ L (Faber-Jackson-Relation)v1/4

(a) Oblater Sphäroid („Pfannkuchen“)

(b) Prolater Sphäroid („Zigarre“)

( a = b > c )

( a > b = c )

Mögliche Formen von Rotationsellipsoiden:

3.7.3 Ergebnisse

3.6.6Modellierung: • Sternsysteme mit Rotation + isotrope (I) ungeordnete Bewegung

• Rotation verursacht Abplattung b/a

• für Isotropie:

• Modell IO: isotrop, oblate

• Modell IP: isotrop, prolate

( ) v

2rot

v iso

Vergleich mit Beobachtung:

1. dE, Bulges entsprechen IO-Modell ( „rotationsgestützt“)

2. (Riesen-) disky E entsprechen IO-Modell ( „rotationsgestützt“)

3. (Riesen-) boxy E weder IO noch IP Stabilität gegen Gravitat.kollaps durch ungeordnete Bewegung triaxiale Struktur wahrscheinlich

( a > b > c )

Zusammenfassung Kinematik: Allgemeine Ergebnisse

geordnete Beweg. dominiert (dynamisch kühl)

rotationsgestützt störanfällig stark strukturiert

Tully-Fisher-Relation

ungeordnete Beweg. dominiert (dynamisch heiß)

nicht rotationsgestützt wenig störanfällig wenig strukturiert

Faber-Jackson-Relation

Ellipsoide Scheiben

3.6.7 3.7.4 Massen, Massenverteilung, m/L

(A) Allgemeines Vorgehen zur Modellierung der Massenverteilung in Galaxis:

- Poisson-Gl. (Dichteverteilung Potenzial)

- Bewegungsgleichungen-Gl.n: (Potenzial Dynamik)

- Dichteverteilung ( r ) vorgeben

pot kinVirialsatz: | E | = 2 E

Virial-GG erfüllt?

Ja

Nein

ok

3.6.8(B) Deutung der flachen Rotationskurven

-Erwartung (Intensitätsprofil):

- Beobachtung: v = const

1

√ Rv ~rot

rot

„Kepler-Rotation“

„flache Rotationskurven“

3.6.8

R

vrot

~5 kpc ~ R 25

vmaxBeobachtung: flache RK

Erwartung: Kepler-Rotation

Lösungsansätze:

1. Newtonsche Dynamik bzw. Gravitationstheorie modifizieren

2. Galaxien sind in ausgedehnte DM-Halos eingebettet

(B) Deutung der flachen Rotationskurven

3.6.8(B) Deutung der flachen Rotationskurven

1. Newtonsche Dynamik bzw. Gravitationstheorie modifizieren

Modified Newtonian Dynamics (MOND)

alternative Gravitationstheorien (STVG, MSTG, RGGR)

*

(*) Allgemein-Relativistische Korrekturen sind irrelevant, da << c 2

3.6.8(B) Deutung der flachen Rotationskurven

Modified Newtonian Dynamics (MOND)

0

Newton II: F = m a

0a ~ 10 m s

a10

MOND: F = m a (a/a )

Für a < a ist a

F ~ F

0

N

M

M N2

Nachweis mit LISA (2012+) ?

3.6.8(B) Deutung der flachen Rotationskurven

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 (G/G ~ 10 pro 100 kpc *)

Korrekturen der Rotationsgeschwindigkeit im Vergleich zu Newtonscher Dynamik:

v ~ v 1

-7

( )c

2

RGGR Newt Newt

mit ~ 10 über Dimension einer Galaxie!

2 2

-7

* Variation im Sonnensystem um Faktor 10 -17

(B) Deutung der flachen Rotationskurven

2. Bei großem R zunehmend mehr nichtleuchtende Materie

Je größer R, desto mehr Dunkle Materie (DM)

Galaxien sind in Halos aus DM eingebettet (DM-Halo)

3.6.10

Typ m (10 m ) m/L (m /L )(am letzten Punkt der RK)

E (Riesen) 100...1000 10...20

E (Zwerge) 0.01

Sa 100

Sb 10 10

Sc 5

Irr 0.01 5

10

Typische Massen und Masse-Leuchtkraft-Verhältnisse

Vergleich: Sonnenumgebung (Sternzählungen): m/L ~ 1

○ ○ ○

(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

DM – Szenario

1. auf großen Skalen sind Galaxien DM-dominiert (DM-Halos)

2. DM-Halos bestehen nicht aus (normaler) Sternpopulation (etwa wie Sonnenumgebung)

(C) Schlussfolgerungen

3.6.13

(1.) Vergleich der Kinematik von Objekten in Scheibe und stellarem Halo Stellarer Halo

DM- HaloFür gleiches R gilt

(a) Bei sphäroidaler Verteilung:

v (Halo) = v (Scheibe)

(b) Für Scheibe:

v (R) = (0.2...0.4) v (R)

Beobachtung: Halo- und Scheibenobjekte folgen etwa der gleichen Rotationskurve

rot, Scheiberot, Halo

rot rot

Sind die DM-Halos flach oder sphäroidal?

Schlussfolgerung: DM-Halo ist etwa sphäroidal

3.6.14Sind die DM-Halos flach oder sphäroidal?

Ring

Ring

Scheibe

(2.) Kinematik von polaren Ringen (pekuliare Galaxien)

Beobachtung: gleiche Rotations-kurve für Halo und Scheibe

Schlussfolgerung: DM-Halo ist etwa shäroidal

Masseverteilung im DM-Halo:

aus konstanter RK folgt M ~R

und wegen dM = R dR

folgt 1/R

Ansatz: =

R

R2

2

0

1 + (R/R )0 2

(nicht-singuläres isothermes Profil)

dM /dR = constR

(C) Schlussfolgerungen

(C) Schlussfolgerungen

Bemerkung

Die Hypothese der Existenz von DM ist nicht so exotisch, wie sie zunächst erscheinen mag:

(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

(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?

(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

3.6.15(D) Natur der DM

1. Woraus DM-Halos mit Sicherheit nicht bestehen:

- normale Sternpopulation (M/L < 1)

- (kühles) HI-Gas, (warmes oder heißes) ionisiertes Gas, Staub

3.6.15(D) Natur der DM

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)

- Kometen, Asteroiden, Astronauten, Astronomen, ...

3.6.15(D) Natur der DM

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)

- Kometen, Asteroiden, Astronauten, ...

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

3.6.16(D) Suche nach MACHOs: Mikro-Gravitationslinseneffekt

Entfernter Stern

Beobachter

Halo-MACHO

DS

DD

• Prinzip:

- Gravitationsfeld des MACHOs bewirkt Lichtablenkung...

- - ...die sich ändert, wenn sich Linse relativ zur Quelle bewegt.

3.6.16(D) Suche nach MACHOs: Mikro-Gravitationslinseneffekt

Sonne

Large Magellanic Cloud (LMC)

DM-Halo (MACHOs)

• Praktische Ausführung (Paczynski, 1986)

Halo-MACHOs mit Massen 10 ... 10 m mittels MGL-Effekt nachweisbar an Sternen der Großen Magellanschen Wolke (LMC)

7 ○

3.6.17Relativbewegung von Quelle und Linse (MACHO):

Spezialfall: Quelle, Linse und Beobachter auf einer Linie Lichtablenkung ringförmig

D

Ds

dEinstein-Ring: R =

4 G m (D D ) c D D2

d

d

s

s

MoBM

Prinzip

3.6.17Relativbewegung von Quelle und Linse (MACHO):

viel zu klein für empirischen Nachweis!

Credits: J. Wambsganß

Aber:

MGE verbunden mit messbarer Verstärkung der Helligkeit der Quelle!

D (LMC) = 53 kpc D = 10 kpcds R ~ 10 m / m arcseco-3

M

G m c ~ 1.5 km ~ 5 10 kpc2 17(„Mikrogravitationslinse“)○

○

3.6.18Lichtverstärkung

abhängig vom relativen projizierten Abstand u Linse Quelle

u + 2

u u + 4t) =

2

2

u = u (t) = r (t) / Ro

u = 1 (d.h. r = R ) = = 1.34 = Schwelle für Detektion (per Def)

limo

Eigenschaften von MGL-Lichtkurven für Punktquellen und Punktlinsen: - streng symmetrisch - streng achromatisch

(für u > 0)R

r

o

u = 0.2

u = 0.2

min

min

Zeit

Ver

stär

kung

m

(m

ag)

-2

-1

0

3.6.19

Zeitdauer eines Ereignisses:

Linse = MACHO im stellaren Halo des MSS (v = 200 km/s) Quelle= Stern in LMC

trans

t = 0.2 m / m JahreM

Charakteristische Zeitskalen von GL-Ereignissen

30 min für m /m = 10

2 Jahre für m /m = 10M

7

M2

t = o

trans

2 Rv

Beispiel:

Wenn v gegeben, kann R bestimmt werdentrans o

MMACHO-Masse m

○○

○

3.6.19Projekte der MACHO-Suche mittels Mikrogravitationslinsen

Mehrere Projekte (seit etwa 1990):

• MACHO 0.7 Quadratgrad LMC mit CCD

• EROS 0.4 Quadratgrad LMC mit CCD und 25 Quadratgrad LMC photographisch

• OGLE 0.25 Quadratgrad in Richtung galaktisches Zentrum mit CCD

3.6.20

Ergebnisse

• Mikro-GL-Effekt beobachtet

• In Richtung MCs weniger Ereignisse (~ 20) als erwartet

• In Richtung GC mehr als erwartet ( zentraler Balken)

• Raumdichte von MACHOs:

Max. 20% des DM-Halos in Form von MACHOs

Projekte der MACHO-Suche mittels Mikrogravitationslinsen

3.6.20

Unklarheiten:

- Natur der MACHOs mit Massen von ~0.5 m

- self-lensing

- Halo-Modell

- „klumpige“ Verteilung der MACHOs (Haufen)?

Projekte der MACHO-Suche mittels Mikrogravitationslinsen

3.6.19Anmerkung 1: Lichtkurven von Doppel-Linsen

OGLE-2007-BLG-472 Daten mit Fit durch Binärlinsenmodell (Kains et al. 2009)

Abweichungen von „Standardform“ wenn Linse = Doppelstern

3.6.20

Beobachter

... zu erwarten, dass Gravitationslinseneffekt in der Extragalaktik eine wichtige Rolle spielt ... (siehe später)

Anmerkung 2: Gravitationslinseneffekt, allgemein

Zum Beispiel Hubble Ultra Deep Field

3.6.20Anmerkung 3: Höhere Linsendichte, entfernte Quellen

Microlensing einer entfernten Quelle durch Sternfeld einer entfernten Galaxie:

Beobachter

Hohe optische Linsendichte: Wirkungen überlagern sich kompliziertes Verstärkungsmuster

3.6.20

(a) Verstärkungsmuster („caustic“) projiziert in die Quellenebene

(b) Lichtkurven („caustic crossing“)

Quelle: Wambsganß (1998)

Anmerkung 3: Höhere Linsendichte, entfernte Quellen

3.6.20

Änderung der Kaustik infolge Bewegung der Linsen

Verstärkungsmuster in der Quellenebene für relativ hohe Linsendichte

Quelle: Wambsganß (1998)

Anmerkung 3: Höhere Linsendichte, entfernte Quellen

3.6.21(E) Suche nach WIMPs

Motivation für Annahme nicht-baryonischer DM

• Mikro-GL-Suche DM aus baryonischer Materie kann für Galaxis mit hoher Wahrscheinlichkeit ausgeschlossen werden

• Modellierung der Entstehung großräumiger Strukturen erfordert nicht-baryonische DM-Halos ( später)

• Beobachtete Strukturen im Mikrowellenhintergrund erfordern Dominanz nicht-baryonischer Materie ( später)

• Primordiale Synthese der leichten Atomkerne (D, L, He) erfordert Dominanz nicht-baryonischer Materie ( Kosmologie)

• Teilchenphysik: SUSY-Teilchen vorausgesagt, insbesondere Neutralino X (m = 10 ... 1000 GeV)

• Kosmologie: WIMPs im frühen Univ. erzeugt ( Kosmologie)

1

o

3.6.21(E) Suche nach WIMPs

Prinzipien der experimentellen Suche nach WIMPs:

• Direkte Methode: kryogene Halbleiter-Detektoren (Ladung, Temperatur infolge Einschlag eines WIMPs)

• Indirekte Methode: Cerenkov-Detektoren (messen Neutrinos aus Annihilation von WIMPs)außerdem nutzbar:

- Modulation der Ereignisrate infolge Bewegung Erde um Sonne ( Änderung der Richtung relativ zu galaktischem Hintergrund)

- gravitativer Einfang von WIMPs (Erd-, Sonnenzentrum,...)

Neutralino annihilations in Sun → neutrinos

Sun

Earth

Detector

μ

scatt int.

, ,

qq

ll

W Z H

Gravitativer Einfang von Neutralinos

(E) Suche nach WIMPs

3.6.21(E) Suche nach WIMPs

Prinzipien der experimentellen Suche nach WIMPs:

Probleme:

hohe Flussdichten, aber geringe WW mit „normaler“ Materie! erwartete Ereignisrate sehr gering (< 1 pro kg und Tag)

große Detektoren (große Massen) gute Abschirmung gegen Hintergrund

3.6.23

Tunnel in franz. Alpen

30 kg Ge bei T = 0.01 K

Direkte Methode

3.6.25 • Neutrino kollidiert mit O-Kern im Eis Myon („Lebensdauer“ ~ 1 km)

• Nachweis über Cerenkov-Strahlung mittels optischer Module (OM)

• Myon behält Richtung des Neutrinos

• Richtung des Neutrinos folgt aus Zeit und Ort, wo OMs Cerenkov-Strahlung registrieren

Indirekte Methode

3.6.26

• liefert seit 1997 Daten

• Konzept eines Neutrino-Teleskops im Eis bewährt

• Energie und Richtung hoch-energetischer Neutrinos mit großer Genauigkeit bestimmbar

• Allerdings bisher noch kein sicherer Nachweis von DM-Kandidaten ...

• ... aber Verbesserung der Nachweisgrenzen.

AMANDA Ergebnisse

Verteilung hochenergetischer Neutrinos, die von AMANDA nachgewiesen wurden, im äquatorialen Koordinatensystem.

(Die Häufung in der Äquatorebene [=Horizont!] kommt von der Kontamination durch atmosphärische Myonen.)

3.6.26IceCube (AMANDA II)

Neutrino-Teleskop der neuen Generation

• Installation 2004-2011

• 4800 Sensoren in 1 km

• weltweit größter Neutrino-Detektor

• 30 mal größer und damit viel empfindlicher als AMANDA

• (AMANDA in IceCube integriert)

3

3.6.27

Das Thema „Dunkle Materie“ kommt wieder....