3. Eigenschaften normaler Galaxien

3.1 Helligkeitsprofile 3.2 Größe 3.3 Leuchtkraft 3.4 Spektrale Energieverteilung 3.5 verschiedene Spektralbereiche 3.6 Interstellares Medium 3.7 Kinematik und Massen 3.8 Korrelationen 3.9 Entwicklungsmodelle 3.10 Chemische Häufigkeiten 3.11 Spiralstruktur

3.5.73.6.3 Elliptische

3.5.73.6.3 Elliptische

Optisches Bild der E-Galaxie M87

lange Zeit für ISM-frei gehalten, da

• nur selten Em.linien (HI, HII)

• in optischen Aufnahmen mit bodengebundenen Teleskopen im allgemeinen keine Anzeichen von Staub

3.5.7

Röntgenbild und Röntgenspektrum der E-Galaxie M87

Seit 1979 (Röntgensatellit EINSTEIN):

• Gas mit T ~ 10 Mio K, i.allg. dT / dr > 0

• Gesamtmasse im Röntgen- (X-) Gas: m = 10 ... 10 m , dh. m / m ~ 0.1

• L mit opt. Leuchtkraft korreliert

9 10X

X Sterne

X

Deutung:

• ISM in E ist (durch irgendwelche Prozesse) stark aufgeheizt worden.

• Im Detail noch nicht sicher verstanden, ob Phänomen stationär.

3.6.3 Elliptische

3.5.8Elliptische Galaxien sind im

allgemeinen staubfrei, aber...

• Ausnahmen (HST): kleine zirkumnukleare Staubscheiben (dabei handelt es sich generell um Radiogalaxien siehe später)

• Warum generell so wenig Staub? (Da ja ständig Staubproduktion in entwickelten Sternen)

Abbildung:

Ausschnitt aus Atlas von HST-Aufnahmen von Radiogalaxien (De Ruiter)

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

Messung der Bewegung der Sterne: Prinzip

v

Kinematikv

v r

• Radialgeschwindigkeit v

Doppler-Effekt v /c = / rr

Messung der Bewegung der Sterne: Prinzip

1. Die sichtbaren Komponenten der Galaxien

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

(Aber: In Extragalaktik im Allgemeinen nur v messbar !) r

Messung der Bewegung der Sterne: Prinzip

3.6.1

(B) Ungeordnete Bewegung

(A) Rotation Linienverschiebung

v r

Linienverbreiterung

WLinie vr

Bemerkungen: • Messung am besten an Emissionslinien

• schwieriger bei Absorptionslinien

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

Prinzip der Messung der internen Kinematik von Galaxien

> 0

WLinie

v < 0

v > 0

v > 0sys

rot

rot

0 sys

< 0

v > 0sys

0 sys

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) (RK) untersuchen!

Differentielle Rotationstarre

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

max1/4

max

3.6.4Beispiele für gemessene Rotationskurven von Sb-Galaxien (links) und Sc-Galaxien (rechts); (Rubin et al. 1980...1985)

Bemerkung: größte gemessene Rotationsgeschwindigkeit ca. 500 km/s

3.6.4 Exkurs: Eigenbewegung von M33 (Sc)

Entfernung d = 750 kpc

v = 250 km/s = 3 10 km/yr

= 10 kpc/100yr

Entspricht in 100yr Winkel

[´´] = 1.3 10

= 3 10

rot

7

7

10 kpc7

750 kpc10

10 60 60 36002 . .

4

3.6.5(B) Bulges und Elliptische

1. ungeordnete Bewegungskomponente dominiert

2. L (Faber-Jackson-Relation)v

1/4

Aus (1) Können Bulges und E überhaupt Rotationsellipsoide sein?

(a) Oblater Sphäroid („Pfannkuchen“)

(b) Prolater Sphäroid („Zigarre“)

( a = b > c )

( a > b = c )

Mögliche Formen von Rotationsellipsoiden:

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

• Rotation verursacht Abplattung = 1b/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 )

Interne Kinematik: Allgemeine Ergebnisse

Rotation dominiert

Scheiben sind - dynamisch kühl, deshalb stör-anfällig und stark strukturiert

- rotationsgestützt

Tully-Fisher-Relation

ungeordnete Beweg. dominiert

E-Galaxien sind - dynamisch heiß, deshalb wenig störanfällig, wenig strukturiert

- nicht rotationsgestützt

Faber-Jackson-Relation

Ellipsen Scheiben

3.6.7 3.6.4 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(b) Deutung der „flachen“ Rotationskurven

-Erwartung (Intensitätsprofil):

- Beobachtung: v const

1

Rv ~rot

rot

„Kepler-Rotation“

„flache Rotationskurven“

3.6.8(b) Deutung der „flachen“ Rotationskurven

1. Newtonsche Dynamik bzw. Gravitationstheorie modifizieren

alternative Gravitationstheorien Modified Newtonian Dynamics (MOND)

0

Newton II

F = m a (a/a )

0a ~ 10 m s

a10

3.6.8(b) Deutung der „flachen“ Rotationskurven

2. Bei großem R dominiert zunehmend eine nichtleuchtende Materiekomponente

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

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

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

3. 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

(d) Schlussfolgerungen

(d) Schlussfolgerungen

Bemerkung

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

(d) 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?

(d) 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

3.6.123.6.5 Massereiche DM-Halos

(a) Zusammenfassung empirischer Hinweise auf Existenz von DM:

• Flache Rotationskurven der Scheiben von Spiralgalaxien

• Bewegungsverhalten zentrumsferner Objekte im MSS (Kugelsternhaufen, Satellitengalaxien)

• Röntgenhalos von (isolierten) E-Galaxien

• Dynamik von Doppelgalaxien, Galaxiengruppen, -haufen (siehe später)

• Gravitationslinseneffekt (siehe später)

• Strukturen im Mikrowellenhintergrund (siehe später)

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

(b) Sind die DM-Halos flach oder sphäroidal?

Schlussfolgerung: DM-Halo ist etwa shäroidal

3.6.14(b) Sind 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

3.6.15(c) 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(c) 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)

- Asteroiden, Kometen, UFOs, Bierflaschen, ...

3.6.15(c) 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)

- Asteroiden, Kometen, UFOs, Bierflaschen, ...

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