Galaxien – Bausteine des Universums

Max CamenzindSenioren-UniversitätWürzburg 01-12-09

Zur Erinnerung …• Die Griechen legten Fundament zu

astrophysikalischen Modellen geozentrisches Modell des Ptolemäus.

wurde in der Renaissance revidiert zu heliozentrischem Modell dauerte dann nochmals 300 Jahre bis zum heutigen Univ.

• Galileo Galilei verwendete zum ersten Male Teleskope um 1609 Sidereus Nuncius.

• 1609 formulierte Kepler auch seine Gesetze zum Verständnis der Planetenbewegung aufgrund der Daten von Tycho Brahe.

Grundfrage vor 100 Jahren:Was sind Spiral-Nebel?

Übersicht• Spiral-Nebel und die Große Debatte von 1920.• Hammer-Aitoff Projektion in Astronomie• Unsere Milchstraße – in verschiedenen

Wellenlängen, Struktur, Komponenten, Sterne und Gas, Rotation und Dunkle Materie, Spiralarme

• Das Galaktische Zentrum: Sag A*• Andromeda – unsere Schwester-Galaxie• Wir sind Teil des Virgohaufens• Hubble Klassifikation der Galaxien• Galaxienzentren beherbergen Schwarze Löcher• Galaxien mit aktiven Kernen: Quasare …

KometHale-Bopp

29.3.1997• In großer Entfernung

von der Sonne bestehen Kometen nur aus dem Kern, der im wesentlichen aus zu Glas erstarrtem Wasser, Trockeneis, CO-Eis, Methan und Ammoniak („Schnee-ball“) mit Beimen-gungen aus meteoriten-ähnlichen kleinen Staub- und Mineralien-teilchen besteht.

Der Komet Halley (1705-1758)

März 1986

Kometen –sich bewegende Nebel,von Halleyerklärt

Warumzeigtder Schweifimmer vonder Sonneweg?

Kometen bewegen sich auf lang gestreckten Ellipsen

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Messier Katalog, 1781

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HST Aufnahme

Aktuell …Krebsnebel Messier 1

Blau: Chandra; Rot: HST; Gelb: Spitzer

M 51Ring-nebel

Planetari-scherNebel

Weißer ZwergUnsere Sonne wird sich in 6Mia. Jahren zuWZ entwickeln.

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Messier 50Offener Sternhaufen

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HST Aufnahme

Messier 101„Spiral-Nebel“

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Planeten - Sterne - Nebel

• Nachdem sich Astronomen lange Zeit nur mit Planeten beschäftigt hatten, wandten sie sich den Sternen zu. Sie wurden als sonnenähnliche Gebilde verstanden.

• J. Flamsteed (1646 -1719), “first Astronomer Royal”, katalogisierte 3000 Sterne mittels Sextanten.

• W. Herschel (1738 -1822) erweiterte den Katalog und fand die ersten “Doppel-Sterne” – untersuchte ihre Bewegung. Mittels Newtonscher Gesetze wurde auf Sonnen getippt.

• Er löste mit dem 58”-Teleskop die Milchstraße in Sterne auf und schätzte die Ausdehnung der Galaktischen Scheibe ab, dies bestätigte die Spekulation (1750) von Thomas Wright.

• Hershel katalogisierte ebenfalls sog. Nebel, aufgrund des Messier Kataologs von 1781, der noch heute in Gebrauch.

• E. Kant spekulierte bereits, dass Nebel andere Galaxien sind.

William und Caroline Herschel

(1738 -1822) (1750 - 1848)

W. Herschel: Erste Abshätzung der Größe der Milch-straße Durchmesser = 150 * Sonne - Sirius Distanz =

400 Parsec

400 Parsec

Astrofotografie ab 1850NGC Galaxien

John Louis Emil Dreyer (1852-1926). Direktor des Armagh Observatoriums von 1882-1916.

NGC enthält Positionen und Helligkeit von 7840 Nebeln

The Armagh Observatory is a modern astronomical research institute with a rich heritage. Founded in 1790 by Archbishop Richard Robinson,the Observatory is one of the UK and Ireland's leading scientific research establishments.

Max Wolf 1900 / Königstuhl Heidelberg

Bruce Refraktor der LSWKönigstuhl (1898)

Photoplatte

Was sind “Spiral-Nebel”?Was sind “Spiral-Nebel”?

• Historisch als Nebel im Messier und NGC Katalog aufgetaucht• Eine gewaltige Ansammlung von Sternen und Gas außerhalb unserer

eigenen Milchstraße (früher als Spiralnebel bezeichnet).• Mindestens 100 Millionen bis zu 100 Mia. von Sternen

– Enthalten auch Gas und Staub, sowie Dunkle Materie• Existieren in verschiedenen Formen: Scheiben, elliptisch, oder auch

irregulär; Kugelsternhaufen sind jedoch immer rundImage at http://hubblesite.org/newscenter/archive/releases/galaxy/spiral/2007/41/results/50/

The „Great Debate“ 1920

„Die grosse Debatte“26.04.1920

Ist Andromedagalaktisch

oder extragalaktisch?

Protagonisten:Harold Shapley

Heber Curtis

• Die Shapley-Curtis-Debatte, auch bekannt als Die Große Debatte (The Great Debate) bündelt die Diskussionen am Anfang des 20. Jahrhunderts, die schließlich zu einem neuen Verständnis der Natur von Galaxien und der Größe des Universums führten.

• Die Diskussion zwischen den Astronomen Harlow Shapley und Heber Curtis fand am 26. April 1920 im Baird-Auditorium des National Museum of Natural History in Washington statt. Sie kreiste um die Größe unserer Milchstraße und die Frage, ob die damals als Spiralnebel bekannten Galaxien kleine Objekte in unserer Milchstraße oder sehr viel weiter entfernt und von der Milchstraße getrennt sind.

Die Shapley-Curtis Debatte (1920)

Galaxis Galaxis

ShapleyCurtis

Die Debatte ergab kein brauchbares Ergebnis!

“Questions in science are not resolved by debates, but by observations & experiments”

Spiral-Nebel

Henrietta Leavitt (1868-1921) entdeckte die Cepheiden

Periode-Leuchtkraft (PL) Relation (1912)

Lichtkurve eines Cepheiden

Große & Kleine Magellansche Wolken Periode versus Magnitude von

Cepheiden in SMC

Absolute Magnitude - Distanzmodul

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m − M =−2, 5 l o g1 0

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S c heinbare M ag nitude m gibt an, wie hell ein Stern dem Beobachter auf der Erde erscheint.Energiefluss f, der auf der Erde ankommt, hängt von der intrinsischen Helligkeit und der Entfernung des Sterns ab.

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f = D

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Abs olute M ag nitude M ist die scheinbare Magnitude m bei einer vorgegeben Entfernung von 10 pc

Standard-Kerze

1923 - Hubble misst die Distanz zu M 31 mittels Cepheiden

100-inch Hooker Telescope, Mt. Wilson

Edwin Hubble

Debatte gelöst!Hubble entdeckt

Cepheiden in M 31

Hubble findet die Lösung 1923: Andromeda-Nebel nicht galaktisch

1923 untersuchte Edwin Hubble photographische Platten des Andromeda Nebels, die mit dem 100-Zoll Teleskop aufgenommen, um Novae zu finden – Sterne, die plötzlich ihre Helligkeit ändern. Am 5. Oktober 1923 lokalisierte Huble 3 Novae, jede mit einem “N” gekennzeichnet. Eine dieser Novae erwies sich jedoch als Cepheiden Variable. Das “N” wurde durchgestrichen und Hubble bezeichnete den Stern als “VAR”! Diese Cepheide, und viele andere in der Andromeda entdeckt erlaubten es Hubble zu beweisen, dass Nebel nicht Sterne innerhalb unserer Milchstraße sind, sondern dass es sich dabei um Galaxien handelt, die mehr als eine Million Lichtjahre von uns entfernt sind. Damit war die “Große Debatte” beendet!

Darstellung des Himmels

• Der Sternenhimmel und die Galaxien bewegen sich scheinbar mit der Erdrotation.

• Schon die Griechen haben die Fixsterne auf ein Kugel projiziert Himmelsgloben.

• Sie dachten, Sterne hängen an einer Kristallsphäre.

• Wir projizieren noch heute die Objekte unabhängig von ihrer Distanz auf eine Kugel!

Sterne bewegen sich um den Nordpol

Sterne bewegen sich um den Südpol (Gemini Observatory, Chile)

Fixsternhimmel rotiert nicht, die Erde dreht sich

Die Erde istein Kreisel

Präzession

Periode: 25.800 Jahre

Die Präzession ergibt sich aus dem Rotationsverhalten der Erde. Die Erde ist infolge ihrer Drehung abgeplattet und besitzt am Äquator dementsprechend einen Wulst. Außerdem steht die Erdachse unter einem Winkel von 23,5 Grad schräg, relativ zur Senkrechten auf der Ekliptik.

Kristall-Sphären

desAristoteles

Himmels-globus 1673FerdinandVerbiestangefertigtfür denChine-sischenKaiser

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Fixsternsphäre

Sternbilder des Südhimmels, Darstellung von 1661

Darstellung des Himmels• Problem: Wie projiziere ich die Himmelssphäre

auf ein Blatt Papier?• s. Problem Geografie: Wie projiziere ich die

Erdkugel(oberfläche) auf ein Blatt Papier?• Die Hammer-Aitov-Projektion (auch Hammer-

Aitoff-Projektion genannt) ist eine flächentreue Kartenprojektion, welche die gesamte Erdoberfläche als Ellipse darstellt.

• Es gibt eine Menge alternativer Darstellungen.

Wie

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Äquator und Mittelmeridian werden maßstabsgetreu und als Gerade wiedergegeben, mit zunehmender Entfernung von diesen nimmt aber auch die Verzerrung sehr stark zu. Üblicherweise ist der Nullmeridian (von Greenwich) der Mittelmeridian.

Aitoff Projektion der Erde

GalaktischeKoordinaten

LängeBreite

Unsere Milchstraße

2MASS2 µ AllSky Survey

Unsere Milchstraße

Milchstraße in Galaktischen Koord

IRASStaubverteilung

1,69x10-6 eV,73,5 cm

Diffuse radio emission is a tracer of relativistic electrons in a field. Compact sources can be compact synchrotron sources or self-absorbed bremsstrahlung as in an HII region. Most thermal sources (such as dust reprocessors of starlight) are at higher energies. The ridge of emission above the compact sources in the thick disk is thought to be primarily cosmic ray electron synchrotron emission. The prominent North polar spur could be the projected shell of a nearby recent supernova.

All-Sky Image 408 Mhz

1,5 Mio Galaxien – 2MASSFarbcodierung: Distanz der Galaxien

Gamma-Himmel100 MeV – 100 GeV

Unsere Galaxis: MilchstraßeUnsere Galaxis: Milchstraße• Enthält etwa 200 Milliarden Sterne und sehr

viel Gas und Staub;• ist eine Balken-Spirale;• ~ 100,000 Lichtjahre im Durchmesser;• Die Sonne bewegt sich im Abstand von 8

kpc vom Zentrum, mit einer Geschwindigkeit von 220 km/s;

• Das Sonnensystem bewegt sich deshalb in 180 Millionen Jahren um das Zentrum.

Unsere nächsten Nachbarn Unsere nächsten Nachbarn ((ααCentauri A+B, Prox Cen) Centauri A+B, Prox Cen)

~ 4 Lichtjahre ~ 4 Lichtjahre entferntentfernt

Die Sonne: Ein ganz gewöhnlicher Stern

1,4 Mio. Kilometer

Abstand Erde-Mond

Die Erde

Unsere Umgebung zerfällt in Blasen

Sternenhimmel im Teleskop

Sterne haben Farben

Sterne haben Farben (Temperatur)

Klasse Temperatur Farbe ExamplesO 30.000 K blauB 20.000 K bläulich RigelA 10.000 K weiß Wega, SiriusF 8.000 K weiß CanopusG 6.000 K gelb Sonne, α CentauriK 4.000 K orange ArcturusM 3.000 K rot BetelgeuzeL 2.000 K braun Braune Zwerge

Mnemotechnisch: Oh, Be A Fine Girl/Guy, Kiss Me

100 Milliarden Sterne => unsere Galaxis (die Milchstraße)

Halo ausDunkler Materie

Komponenten Scheibengalaxie Nukleus• Bulge• Scheibe• Halo

M(<r) = V²Rot r / G

150 Kugel-sternhaufen

Die Rotationskurve

gemessen

rotiertauf uns zu

rotiertvon uns weg

Scheibenrotieren maximal

geometrisch dünn aus 21 cm H

Masse

BulgeSphäroid

Konstante Rotation ist generisch

Halo besteht aus Dunkler Materie• Evidenz: Rotationskurven, Galaxienhaufen & CMB Baryonen können nur 4% beitragen

• Was ist Dunkle Materie (CDM) ? Stabiles supersymmetrisches Teilchen mit Masse

~ 1 TeV/c² Nachweis LHC > 2010 andere exotische Teilchen aus

Hochenergiephysik ???• Diese Teilchen sind im frühen Universum

„auskondensiert“, dominieren heutige Materie

LHC CERNseit Nov. 2009 in Betrieb

27 km langer p-Ring

Die Suche nach Dunkler Materie

Nach mehr als einem Jahr andauernden Reparatur-Arbeiten war der Large Hadron Collider (LHC), der größte Teilchenbeschleuniger der Welt, letzte Woche wieder ans Netz gegangen. Nun sind das erste Mal Protonen miteinander kollidiert.

Mögliche Spekulation: Supersymmetrie

Jedes SM-Teilchen erhält einen Superpartner mitSpinunterschied ½.

Das leichteste Teilchen ist wahrscheinlich stabil: Neutralino Kandidat für Dunkle Materie.

Standardmodell Supersymmetrie

Wir halten fest:• Objekte werden immer noch an Himmels-

sphäre projiziert, unabhängig von ihrer Distanz Aitoff-Projektion auf Ellipse.

• Struktur der Milchstraße ist heute sehr gut bekannt: 200 Mia. Sterne, Gas und Staub

• Milchstraße ist normale Scheibengalaxie, eingebettet in Halo Dunkler Materie.

• Suche nach Dunkler Materie beginnt 2010 am LHC in Genf.

• Milchstraße enthält neben Sternen noch viel Gas, Staub und sog. Nebel (Orion, …).