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Galaxien

Die Hubble Sequenz

Hubble ordnete die Galaxien nach den vier folgenden morphologischen Kategorien:

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Zusätzlich wurden Anpassungen angenommen, hinzugefügt wurde:

Typische Leuchtkraft

Note: −22=1011Lsun

Type Absolute Magnitude Range Type Absolute Magnitude Range
cD -21 / -23 E -18 / -20
dE -15 / -18 dSph -9 / -15
S-Type -17 / -21
Irr -17 / -20 dIrr -10 / -17

Häufigkeit der verschiedenen Typen

Elliptische Galaxien

Haben ein sehr gleichmässiges Erscheinungsbild fast ohne Strukturen, ohne Staubbänder oder leuchtende HII-Gaswolken. Die elliptische Geometrie wird für die Klassifikation verwendet.

Eine elliptische Galaxie ist eine Ansammlung von alten Sternen, die ungeordnet um das Zentrum kreisen. Da es kein kühles Gas gibt, entstehen auch keine neuen Sterne. Die Galaxie besteht deshalb hauptsächlich aus langlebigen, massearmen, Sternen. Das Spektrum einer elliptischen Galaxie entspricht etwa einem K-Stern.

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(ESO 325-G004)

Spiralgalaxien

Normale Spiralen (S-Typ) haben ein Zentralgebiet, aus dem die Spiralarme tangential herauswachsen. Bei Balkenspiralen (SB-Typ) wachsen die Spiralarme tangential aus den Enden eines Balkens heraus.

Das Zentralgebiet hat die Eigenschaften einer kleinen elliptischen Galaxie mit wenig Gas und Staub, einer ungeordneten Bewegung der Sterne und einem Spektrum, dass meist durch kühle, alte Sterne dominiert wird. Spezielle Spiralgalaxien zeigen etwas Gas und Staub im Zentralbereich und es gibt auch eine grosse Gruppe sogenannter aktiver Spiralgalaxien (Seyfert-Galaxien) mit sehr starker nuklearer Aktivität.

Die Scheiben aller Spiralgalaxien enthalten viel Gas und Staub, mit vielen hell leuchtenden Sternentstehungsgebieten, die typischerweise entlang der Spiralarmen aufgereiht sind.

Praktisch alle Sterne um das Gas bewegen sich in einer geordneten Rotation um das Galaxienzentrum. Die Spiralarme sind Dichtewellen (ca. 10% höhere Dichte) in der Scheibe, die eine stark erhöhte Sternentstehung verursachen, und deshalb heller leuchten. Das Spektrum der Scheibe entspricht im optischen einem heissen Stern (A-Stern) mit mehr oder weniger starken Emissionslinien der HII-Regionen.

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(NGC1566)

Irreguläre Galaxien

Irreguläre Galaxien haben vor allem im blauen Spektralbereich eine sehr ungleichmässige Struktur. Im Roten ist die Lichtverteilung regelmässiger, oft scheibenförmig und mit einer vorherrschenden Rotationsrichtung. Irreguläre Galaxien enthalten viel Gas und Staub und zeigen aktive Sternentstehung. Die Magellan'schen Wolken sind irreguläre Galaxien.

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(Grosse Magellansche Wolke)

Relationen

Rotationskurven für eine Scheibengalaxie

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Diese Abweichung wird durch einen ausgedehnten Halo dunkler Materie erklärt.

Galaxienmassen

Es kann eine Beziehung zwischen Rotationsgeschwindigkeit und Masse einer Galaxie gebildet werden.

V2(R)≈GMRR

Tully-Fisher Beziehung

Beziehung zwischen Geschwindigkeit V und Leuchtkraft L für eine grosse Auswahl von Spiralgalaxien.

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Die empirische Tully-Fischer Relation beschreibt die Leuchtkraft von Scheibengalaxien als Funktion der maximalen Rotationsgeschwindigkeit.

L≈Vmax4

Diese Beziehung widerspiegelt das Virialtheorem (v2)2≈(GMR)2 und dem Zusammenhang, dass die Leuchtkraft einer Scheibe und deren Masse proportional zur Scheibenfläche sind.

Masse von elliptischen Galaxien

Hier gilt die Faber-Jackson Relation:

L≈σ(V)4

Die Lokale Gruppe

Wechselwirkung zwischen Galaxien

Kollisionen zwischen Zwerggalaxie mit einer Scheibengalaxie

Die Entwicklung und das Erscheinungsbild von Galaxien werden massgeblich durch Wechselwirkungen und Kollisionen geprägt. Während diese Ereignisse für grosse Galaxien oft formgebend wirken, führen sie bei kleineren Partnern meist zur Zerstörung.

Zentrale Erkenntnisse:

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(M51)

Kollisionen zwischen Scheibengalaxien

Wenn zwei grosse Scheibengalaxien kollidieren, sind die Auswirkungen weitaus massiver als bei Zwerggalaxien. Der Prozess wird primär durch die Dynamik der Sterne und das Verhalten der interstellaren Gaswolken bestimmt.

Zentrale Phänomene:

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(Stephan's Quintet)

Die kosmische Distanzleiter

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Relative Distanz zwischen Sternhaufen

Mit Sternhaufen mit gut bestimmter Distanz kann man Eigenschaften von besonderen Sternen kalibrieren, insbesondere Cepheiden.

Klassische Cepheiden

Junge massereiche Sterne zwischen 5-15 Ms, die sich von der Hauptreihe wegentwickelt haben. Sie gehören zur Schreibenpopulation und kommen in offenen Sternhaufen vor. Perioden liegen typischerweise zwischen 1-50 Tagen und Helligkeitsvariationen zwischen 0.1-2 Magnituden.

Das Pulsieren ist eine periodische Änderung der Leuchtkraft, mit einer Beziehung von:

Mv=−2.81log⁡(P)−1.42

Es ist möglich, aus Beobachtung des Lichtwechsels eines Cepheiden auf seine absolute Helligkeit zu schliessen.

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Supernovae von Typ Ia (white dwarf SN)

Ein Weisser Zwerg akkretiert Materie von einem Begleiter. Wenn er die "Chandrasekhar'sche Grenzmasse" von MCh≈1.4MSun erreicht hat, fusionieren C und O zu Fe. Der ganze Stern explodiert ohne wesentlichen Rest.

Dieser Vorgang ist nahezu immer gleich, und kann deswegen zur Kalibrierung benutzt werden.

Rotverschiebung und Hubble Gesetz

Durch den Dopplereffekt ist alles rotverschoben, was sich von uns wegbewegt. Hubble hat festgestellt, dass die Rotverschiebung proportional zur Distanz ist.

v=H⋅d

Galaxienentwicklung

Mit den besten Teleskopen können Galaxien bei sehr grossen Distanzen (>> 1 Mrd. pc) entdeckt werden. Weil das Licht dieser Galaxien Milliarden Jahre unterwegs war, sehen wir die Galaxien wie sie früher ausgesehen haben.

Es gibt eine Beziehung der Rotverschiebung und Rückblick-Zeit relativ zum Alter des Universums. Eine Galaxie bei einer Rotverschiebung von z=2.0 entspricht einem Stadium als das Universum etwa 4 mal jünger war als heute. Z~13 entspricht etwa der entferntesten Galaxie, die man kennt.

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Galaxienzählraten

Die Anzahl Galaxien pro Raumwinkel erlaubt Rückschlüsse über die Eigenschaften der Galaxien im frühen Universum. Im Hubble Deep Field (HDF) werden etwa 10-mal mehr Galaxien gezählt verglichen mit der erwarteten Anzahl von Galaxien mit gleicher Dichte und Helligkeit wie im lokalen Universum.

Die Erklärung ist, dass die Galaxien früher statistisch heller waren, und deshalb besser sichtbar sind. Der Überschuss ist am deutlichsten bei den Galaxien mit unregelmässiger Struktur, die gerade wegen eines Verschmelzungsprozesses (Kollision) eine erhöhte Sternentstehungsrate und damit Leuchtkraft haben.

Globale Stern-Entstehungsrate

Aus der Untersuchung der mittleren Helligkeit von Galaxien als Funktion der Rotverschiebung kann abgeleitet werden, dass die Sternentstehungsrate Ψ bei z=2 etwa 10-mal höher ist als heute (im lokalen Universum).

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Aktive Galaxien (AGN = Active Galactic Nuclei)

Verschiedene Objekte werden zu den aktiven Galaxien gezählt:

Energie bekommen die AGNs wahrscheinlich von einem Schwarzen Loch das in der Mitte sehr viel Masse verschluckt.

Dunkle Materie

Die dunkle Materie wird in zwei Hauptklassen unterteilt, wobei aktuelle Forschungsergebnisse eine klare Tendenz aufzeigen.

Baryonische dunkle Materie (Normale Materie)

Besteht aus dem Urgemisch (H & He), kommt aber nicht als strahlendes Gas vor.

Nicht-baryonische dunkle Materie

Sammelbegriff: WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles). Diese Teilchen besitzen Masse, interagieren aber kaum mit Photonen (Licht).

Haufen und Superhaufen

Die Verteilung von Galaxien ist nicht gleichförmig, sie sind lokal gehäuft. Ebenso ist die Verteilung der Galaxie-Haufen nicht gleichförmig und bilden Superhaufen.

Haufen -> lokal grössere Dichte an Galaxien
Superhaufen -> lokal grössere Dichte an Superhaufen

Es gibt zwei verschiedene Arten an Haufen:

Grossräumige Struktur im Universum

Die Superhaufen bilden eine grossräumige Struktur, die aufgebaut ist wie ein Schwamm, es gibt Wände und Löcher.

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Galaxienentwicklung

Entstehung

Die Kerne der Galaxien sind mit Dichtkonzentrationen nach dem Urknall entstanden. Zuerst wachsen die Galaxien durch Akkretion von intergalaktischem Gas. Danach durch Kollisionsverschmelzung mit anderen Galaxien. Grössere Spiralen können kleinere Galaxien aufnehmen, ohne zerstört zu werden. Damit wächst die Spirale und erhält mehr und mehr Drehimpuls.

Junge Galaxien:

Resultate der Wechselwirkung