A Map of the Universe

Highlights der Astronomie
Achim Weiß
Karl-Schwarzschild-Str. 1
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Tel.: 089/30000-2213
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Astronomy Picture of the Day
http://antwrp.gsfc.nasa.gov/apod/astropix.html
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täglich ein schönes Bild aus der aktuellen
astronomischen Forschung
mit etwas Erklärung und weiteren Verweisen
Vorlesung:
● wählen Sie im Laufe der Woche Ihr Lieblingsbild/Thema
● email an mich; treffe Auswahl
● übernächste Woche: Besprechung des
Themas und des astrophysikalischen
Hintergrunds
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18. Oktober 2004
Saturns Südpol, von Sonde Cassini aus aufgenommen
19. Oktober 2004
Spitzer Infrarot Teleskop findet Staubscheiben um ältere Sterne (künstlerische Darstellung)
Heute:
Das Universum
Das Universum
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“ A map of the universe “ (J. Richard Gott III, et al.)
(www.astro.princeton.edu/~mjuric/universe/)
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Darstellung der wesentlichen Komponenten unseres Universums und einiger berühmter Einzelobjekte
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vom Erdinnern bis zum Rand des Universums
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in speziellen Koordinaten
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Rektaszension von 0 h bis 24 h
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log d, wobei d eine Entfernung in “mitbewegten Koordinaten” ist
Die Karte im Überblick
Erdoberfläche
m, km
Planetensystem
Astronomische Einheit
1 AU = 150 Mio. km =
1.49 10 11 m
Sonnenumgebung
Lichtjahr 1 LJ = 9.46 1015 m
Milchstraße
und nahe
Galaxien
Parsec
= 3.26 LJ
= 3.09 1016 m
ferne Galaxien,
Quasare, bis zum Rand des Universums
Mpc, Gpc,
Rotverschiebung z = /0
kosmologische Koordinaten
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Universum ist homogen und isotrop
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dehnt sich aus (Hubble­Gesetz v = H0d)
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wegen großer Entfernungen relativistische Beschreibung
Entfernungsbegriff nicht mehr eindeutig
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Begriff der Rotverschiebung (z=v/c für nahe Objekte)
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mitbewegte Koordinaten: an Massen gebunden, ohne Skala
wegen endlicher Lichtgeschwindigkeit: –
Licht trifft bei uns aus unterschiedlicher Entfernung und unterschiedlicher Epoche ein
mitbewegte und andere Koordinaten
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Friedmann­Metrik beschreibt Transformation von mitbewegten zu physikalischen Koordinaten
in Friedmann­Metrik geht Skalenfaktor a(t) ein (Skalierungsgröße; a(t0) = a0 : heute)
Friedmann­Gleichungen beschreiben a(t) bzw. 1. und 2. Ableitung von a
in sie gehen Massen­ und Strahlungs­Energiedichte, eine kosmologische Konstante , und eine geometrische Krümmung ein
 führt zur Expansion, Dichten zur Kontraktion
Wie groß ist das Universum?
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Hubble­Radius c/H0 = 4222 Mpc (H0= 72 km/s/Mpc); gewählt als a(t0)
mit dem gängigen Weltmodell impliziert das, dass wir bis zu einer mitbewegten Entfernung (in unseren derzeitigen Skalen) von 3.38 RH = 14,283 Gpc
schauen können.
von dort kommen gerade Photonen aus dem Big Bang
dagegen ist die “Rückschau­Zeit” (Alter des Universums x c) nur 13,7 GLj = 4,46 Gpc
–
Grund: die 14 Gpc sind die Entfernung, die diese Bereiche haben werden, wenn sie so alt sind wie wir jetzt (mitbewegte Koordinaten)
Mikrowellenhintergrund (CMB)
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tatsächlich erreichen uns Photonen nur aus einer Entfernung, die der Phase der Rekombination entspricht: damals wurde das Universum durchsichtig
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diese Phase war bei z=1089 (380000 Jahre nach Urknall)
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damals war das Universum 3000 K heiß
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die Strahlung aus dieser Zeit kommt aus allen Richtungen gleichmäßig und heißt auch Kosmische Hintergrundstrahlung
MWH, weil jetzt die Temperatur dieser Strahlung nur noch 2.7 K beträgt
der mitbewegte Radius der CMB­Sphäre ist 14 Gpc
zum Zeitpunkt der Rekombination war die physikalische Skala nur 1/1089 davon, also 13 Mpc
Der Rand der Welt
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Jetzt können wir 13.7 Mrd Lichtjahre weit blicken
für t ∞ ergibt sich eine mitbewegte Entfernung von maximal 19 Gpc (ca. 4 Hubble­Radien)
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Warum nicht unendlich? Weil das Universum sich immer schneller ausdehnt.
Durchschnittliche Entfernung zwischen Galaxien etwa 6 Mpc, also sind im jetzt sichtbaren Universum etwa 64 Milliarden Galaxien zu finden
Jede mit 100 Mrd. Sternen, also 6 x 1021 Sterne
diese Zahlen erhöhen sich noch um maximal den Faktor 2.4 (max. Radius/derzeitiger Radius)
Licht, das jetzt von uns ausgesandt wird, kommt nur noch bis zu einer mitbewegten Entfernung von 4,7 Gpc (Rotverschiebung 1.68)
kurze Geschichte des Universums (in Bildern)
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das Universum dehnt sich aus und kühlt sich dabei ab
je nach Temperatur herrschen andere Fundamentalkräfte vor
allmählich können bekannte
Teilchen stabil existieren
und Gravitation wird bestimmende
Kraft
aus einzelnen Nukleonen werden
Atome, Moleküle, Gaskugeln,
Galaxien
wir sehen nur die leuchtende
Materie
es dominieren aber Dunkle Materie
und Dunkle Energie
Die Koordinaten der Karte
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Polarkoordinaten:
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x­Achse: Rektaszension von 0 bis 24 hr; Größe 2
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y­Achse: mitbewegte Koordinaten, logarithmische Darstellung, Skala: heutiger Hubble­Radius;
Ursprung: Erdoberfläche; Größe 47.63 in logarithmischen Erdradien
lokal flächentreu (konform); Größe der Objekte entspricht Winkel, unter dem sie uns erscheinen, außer, wenn sie sehr klein wären (Mond, Sonne)
radiale Strahlen weg von der Erde sind Senkrechte in Karte
gezeigt sind Objekte in der Äquatorebene mit
­2° <  < 2°, sowie etliche bekannte Objekte auch außerhalb derselben
Zeitpunkt der Karte: 12. August 2003, 04:48 UT (Vollmond)
unter der Erde
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fester Kern mit r=1200 km
darüber der flüssige Kern bis 3480 km
dann unter und oberer Mantel (bis 5701 und 6341 km)
Oberfläche und Kruste sind nur als dickerer Strich erkennbar (6378 km)
der Maßstab dort ist 1/250,000,000
höchster Berg am Äquator ist Chimborazo (6320 m) mit 0.002 cm
man könnte auch noch nach weiter nach innen gehen
das zentrale Neutron wäre bei y=­50 (1.9 10­22 rE)
und darüber
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Tropo­ und Stratosphäre zu dünn; bei 70 km beginnt die Ionosphäre (bis 600 km; Nordlichter, Meteore)
darüber Exosphäre = Rand der Erdatmosphäre
alle 8420 Satelliten (grüne Punkte), die noch nicht zerstört sind, und Namen haben
International Space Station
Hubble Space Telescope
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HST ist 2.4­Meter Spiegelteleskop in erdnahem Orbit (600 km); am 25. April 1990 von Shuttle Discovery dort abgesetzt
anfänglich schlechte Optik, später repariert (1993; Endeavour)
außerhalb Atmosphäre, damit beugungsbegrenzte Bilder (Auflösung)
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mehrere Instrumente ●
immer wieder ausgetauscht
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spektakuläre Ergebnisse
Hubble Ergebnisse
Hubble Deep Field
tiefste Beobachtung (10 Tage non­stop)
eines kleinen Himmelsausschnitts
Blick zurück in die Entwicklungs­
geschichte von Galaxien
Satelliten
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Vanguard 1: ein 20 cm Satelliten­Opa
von 1958 nach 178000 Orbits
Chandra: Röntgen­Observatorium
seit 5 Jahren im Orbit
Krebs­Nebel (Supernova­Überrest)
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dazwischen geostationäre Satelliten in 36000 km und GPS in ca. 22000 km (12 Stunden Orbit)
24 (?) Stück
van Allen Gürtel
Strahlungsgürtel in 1000­6000 km und 15000­25000 km Höhe
● energiereiche kosmische Teilchen
● Protonen und Elektronen
● in Magnetfeld der Erde gefangen
● pendeln zwischen den Polen auf Spiralbahnen
● schützt uns vor schädlichem Bombardement
● wird verformt bei starkem Sonnenwind (Ausbrüchen)
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Wilkinson Microwave Anisotropy Probe
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Satellit zur Messung der Anisotropien des CMB
diese hängen direkt von kosmologischen Parametern ab
diese sind, z.B. Materiedichte, Baryonendichte, kosmologische Konstante bzw. Dunkle Energie, ...
WMAP hat das derzeitige kosmologische Bild definiert
gestartet 6/2001
erste Daten 2/2003
am L2­Punkt
Lagrange­Punkte
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an diesen Punkten kann ein Körper fast kräftefrei im gemeinsamen Schwerefeld zweier massiver Körper um deren Schwerpunkt fliegen
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im Fall Sonne und Erde liegt L2 1.5 Mill. km über der Erde
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L2 ist instabil (23 Tage), daher Pendeln nötig
Karte 2: das Sonnensystem
Mars
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hatte erdnächsten Punkt (56 Mill. km) im August 2003
zur Zeit 2 Rover (Spirit und Opportunity; NASA) auf Mars und Mars Express (ESA) im Orbit
Suche nach (Spuren von) Wasser, Mikroben
geologische und atmosphärische Geschichte 2 Monde:
Phobos Deimos
Merkur und Venus
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Merkur rotiert in 3:2 Resonanz
(3 Tage = 2 Jahren)
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stark exzentrische Bahn
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Messenger Mission (2004/2011)
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Bepi Colombo (2012/2016)
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Venus ist auf kreisförmigster Bahn
retrograde und langsame
Rotation
hochdichte und turbulente
Atmosphäre
Sonne
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am besten verstandener Stern
Schallgeschwindigkeit im ganzen Innern besser als 0.5% bekannt und modellierbar
niedrige Masse, mäßige Helligkeit, langsame Entwicklung, Oberfläche 5770 K
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jetzt 4.6 Mrd. Jahre alt, wird etwa 12 Mrd. Jahre
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Energie aus Wasserstofffusion im Zentrum (15 Mill. K)
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aktive Oberfläche, Eruptionen, Sonnenflecken etc.
Asteroiden
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1.5 bis 3.5 Astronomische Einheiten (AU)
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14183 von 218484 katalogisierten gezeigt
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Asteroiden liegen in Ekliptik, daher mit Erd­Äquator­
Ebene zwei Durchstoßpunkte
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Teil der Planetenentstehung oder zerbrochene Planeten?
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Gesamtmasse unter der des Mondes
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Ceres der größte (1801 von Piazzi entdeckt)
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“Killer­Asteroiden”: > 1km
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vor 65 Mill. Jahren: Yukatan­Einschlag (10 km Asteroid)
Ende der Dinosaurier?
Jupiter
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5 AU von Erde
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1/1000 Sonnenmasse; 1/50 Radius
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63 Monde bekannt, 38 mit Namen
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vor und hinter Jupiter die Trojaner (Asteroiden) an den L4 und L5 Punkten
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Galileo: www2.jpl.nasa.gov/galileo
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Ulysses: Sonnenmission
Saturn
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31 Monde; Titan größer als Mond oder Merkur und mit eigener Atmosphäre
Cassini­Huygens Satellit erforscht Ringsystem (Ankunft 7/2004)
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größer als Mondbahn
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zerstörte Kleinkörper
Uranus und Neptun
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Uranus rotiert in Bahnebene
beide haben Atmosphären mit Jahreszeiten
27 bzw. 20 Monde
Neptun und Triton
und Halley ist dort...
Pluto und der Kuiper Gürtel
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Kuiper­Gürtel:
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zwischen 30 und 50 AU entfernt; Anzahl Objekte noch unbekannt (lichtschwach)
–
scheibenförmige Ansammlung kleiner Körper (771)
–
daraus stammen kurzperiodische Kometen
große Objekte im Kuiper­Gürtel:
–
Quaoar (1250 km), Varuna, Sedna (90 AU)
–
Chiron, Pholus, .... “Centauren”; bis innerhalb Uranus­Bahn; instabile Bahnen
Pluto: eher das größte Kuiper­
Gürtel Objekt als ein Planet
Satelliten am Rand des Sonnensystems
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Voyager 1 (9/1977) und 2 (8/1977)
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Planetenmissionen (Bilder von Jupiter und Saturn)
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Pioneer X (1972): Asteroidengürtel
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alle verlassen Sonnensystem; noch Kontakt,
12 Lichtstunden entfernt
Karte 3: die Oort­Wolke
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aus Analyse der Bahnen langperiodischer Kometen von Oort
vorhergesagt
keine Objekte entdeckt
zw. 8000 und 100000 AU
Reisezeit 50000 bis 2 Millionen Jahre
Störung durch große Planeten macht wiederkehrende Kometen (Halley)
Material wie zur Entstehungszeit des Sonnensystems
Karte 4: Die nahen Sterne
Die hellsten Sterne
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Die zehn hellsten Sterne am Nachthimmel sind:
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Sirius ( Canis Majoris; ­1.4 mag)
–
Canopus (Carniae; ­0.7 mag)
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 Centauri A (­0.01); sonnenähnlich; Dreifachsystem; Stern C = Proxima Centauri 4.22 Lichtjahre entfernt, nächster Stern
–
Arcturus (2 M⊙; Riese; ­0.04 mag)
–
Vega (Lyra; 1.5 M⊙; 0.03 mag)
–
Capella, Rigel (Orion), Procyon
–
Achernar (15000 K; 4000 L⊙)
–
Beteigeuze (Riese; 55000 L⊙; 0.5 mag)
diese Sterne sind hell, weil sie nahe sind!
Sterne mit Planeten
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nahe Sterne können genau untersucht werden
daher fand man in der Sonnenumgebung die ersten extrasolaren Planeten
Methoden:
–
Doppler­Methode: Planet und Stern
kreisen um gemeinsamen Schwer­
punkt, daher wird Stern sich hin und her bewegen; das ist im Spektrum messbar
–
umso leichter, je mehr Masse
der Planet hat, je näher er am
Stern ist, und wenn er Stern
in Sichtlinie umkreist
Planetensuche
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Verdunkelung (Transit; Bedeckung):
Planet zieht an Stern vorüber und verdunkelt ihn; Effekt sehr klein, daher große Planeten leichter zu finden und extrem genaue Messungen nötig
bisher gefunden: sehr massereiche Planeten (Jupiter), die sehr nahe an Muttergestirn sind; immer mit Dopplermethode
bevorzugt sonnenähnliche Sterne
Planeten ­ Ergebnisse
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PSR 1267+12 (Pulsar) war der
erste “Stern” mit Planet
51 Peg der erste “normale Stern”
jetzt schon über 130 Systeme bekannt
Suche nach eher erdähnlichen
Planeten über Bedeckung und vom All aus (Corot­Satellit)
Planeten findet man bevorzugt um Sterne mit hohem Metallgehalt – warum?
Zukunft: Planeten in habitabler Zone und Atmosphären­
Analyse
alle bekannten Planeten
Hipparcos
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astrometrischer Satellit (1989­1993)
Katalog fertig 1996 (alle Sternpositionen müssen gleichzeitig analysiert werden)
Genauigkeit 1 marcsec für 120.000 Sterne
–
entspricht Golfball in Europa von Amerika aus gesehen
–
Entfernung bis zu 30 pc
und für fast 1.000.000 weitere mit 1/10 Genauigkeit
auch Eigenbewegung
wichtige Informationen zum Aufbau der Milchstraße und zu Sternen
Hipparcos­Objekte in der gemessenen
Entfernung mit Fehler; die große Gruppe sind die Hyaden
Fortschritte in der Astrometrie
Astrometrie wichtig, weil sie die dritte Dimension akkurat erschließt
einzelne Objekte in Hipparcos­Entfernung
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Pleiaden: ein offener Sternhaufen
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M13: ein Kugelsternhaufen
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Crab­Nebel: Überrest der
Supernova von 1054 mit
Crab­Pulsar
Karte 5: Milchstraße und Lokale Gruppe
weitere Objekte in Hipparcos­Entfernung
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Cygnus X­1: eine Röntgenquelle mit
einem 7 M⊙ Schwarzen Loch
M27 (Dumbell­Nebel; Planetarischer Nebel)
M42 (Orion­Nebel; Emissions­Nebel, Sternentstehungsgebiet)
Pulsare
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Pulsare sind Neutronensterne , Überreste von Supernova­
Explosionen
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Dichten wie Atomkern
–
Radien bei 10 km
–
Masse: mehrfache Sonnenmassen
–
extreme Magnetfelder (1012 Gauss)
–
in denen geladene Teilchen beschleunigt werden und strahlen
–
hauptsächlich aus Polregionen –
Leuchtturm­Effekt: trifft uns der Kegel, empfangen wir ein (sehr) regelmäßiges Radio­Signal
Vela­Pulsar
Röntgenemission, beobachtet von Chandra
getrieben von Jet, der von Vela ausgeht
Anscheinend bewegt sich Vela auch in Richtung des Jets
Hulse­Taylor Pulsar: ein Pulsar mit Begleiter, einem weiteren Neutronenstern. Das System verliert Energie durch Gravitationswellen, wodurch sich die Sterne annähern und die Pulsar­Signale zu unterschiedlichen
Zeiten ankommen. Die regelmäßige Veränderung wurde von Taylor gemessen und bestätigt Einsteins Relativitätstheorie. Dafür gab'
s einen Preis...
Das galaktische Zentrum
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In 8 kpc Entfernung in Richtung Sternbild Schütze
im optischen nicht sichtbar, wegen Staubabsorption
daher IR, Radio, Röntgen­Beobachtungen
(50o Schnitt durch gal. Scheibe und Zentrum)
Das Monster im Zentrum
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Im Zentrum unserer Galaxie sitzt ein schwarzes Loch
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Masse 2.61 106 M⊙ ●
gefunden aus hochauflösenden IR­Beobachtungen
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Sterne kreisen um eine kleine zentrale Masse ●
das Zentrum ist bei Sgr A* (Filmchen gal_center.mpg)
Der Rand der Milchstraße
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zum Zentrum (bei 18 h) sind es 8 kpc
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zum Rand (bei 6 h) etwa ebenso weit
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hinter dem Zentrum, auf der anderen Seite der Galaxis, ist die Sagittarius Zwerggalaxie (Sgr dSph)
diese Galaxie kreist um die Milchstraße und wird gerade durch Gezeitenkräfte zerrissen
die Spuren sind auf ihrer Bahn um die Milchstraße gefunden worden
Magellansche Wolken
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Große und Kleine Magellansche Wolken
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die nächsten (irregulären) Zwerggalaxien in 50 bzw. 60 kpc Entfernung von der Milchstraße
Die Lokale Gruppe
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Milchstraße und Andromeda Nebel sind die dominierenden Galaxien einer Gruppe von etwa 50 Galaxien, die meisten Zwerggalaxien
M31 (Andromeda) ist 900 kpc entfernt
hat auch zwei kleine Begleiter, eine davon eine
kleine elliptische Galaxie
3d­Ansicht der Lokalen Gruppe
M81
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M81 ist die erste Galaxie, die nicht mehr zur Lokalen Gruppe gehört (sondern zur kleineren M81­M82 Gruppe)
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Entfernung 4 Mpc, im Großen Wagen
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Typ: Sb (Spiralgalaxie)
Hubble`s Galaxien­Klassifikation
Karte 6: ... zum Rand des Universums
... weitere Galaxien
M51 und
Zentrum
(10 Mpc;
Jagdhunde)
M101 (Sc)
Der Virgo­Haufen ●
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Haufen mit 250 großen und 2000 kleinen Galaxien
M104 (Sa;
“Sombrero”)
16 Mpc entfernt, 3 Mpc groß;
10 x 10 Grad groß
im Zentrum die Riesen­Ellipse M87, die das mit 3 109 M⊙ massereichste Schwarzes Loch besitzt
wir fliegen auf den Virgo­Haufen zu
M87
Zentrum des Virgo­Haufens
Galaxien und großräumige Struktur
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die blauen Punkte auf dieser Karte sind 126.594 Galaxien und Quasare, die von SDSS bisher gefunden wurden
SDSS: Sloan Digital Sky Survey,
2.5 m Teleskop für Photometrie und Spektren
¼ des Himmels
100 Mill. Objekte
großräumige Struktur
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Galaxien sind nicht gleichmäßig verteilt, sondern entlang von Filamenten, die sich kreuzen
nur wenn über Skalen von 200 Mpc gemittelt wird, wird alles gleichmäßig
numerische Simulationen
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in numerischen Simulationen, die von einer fast gleichmäßigen Materieverteilung mit kleinen Dichteschwankungen ausgehen, und die die Materie der Wirkung der Gravitation überlassen, bilden sich diese Strukturen ebenfalls
wann, und wie groß sie sind, hängt aber vom kosmologischen Modell ab!
Materie meint hier die dominierende Dunkle Materie, mit der die bekannte leuchtende mitschwimmt
Filmchen (tcdm_gif_cluster.mpeg)
Great Walls
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in der rechten Hemisphäre ist der Great Wall gezeigt
große Struktur: 5 Mpc tief, aber 150 x 70 Mpc ausgedehnt
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erstaunlich groß für Theorien der Strukturbildung
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SDSS entdeckt einen noch größeren Sloan Great Wall
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ebenfalls eingezeichnet ist der Große Attraktor, eine Massenkonzentration (außerhalb der Äquatorebene), auf den sich der Virgo­Haufen zubeweg
The two Great Walls and Fingers of God
Coma-Haufen im CfASurvey:
wegen Eigenbewegung
der Galaxien Bereich von
Rotverschiebungen, die
als radiale Struktur
auffallen (Fingers of God)
Quasare
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extragalaktische Objekte, punktförmige (quasistellar) Erscheinung, blaue Farben
eine Variation der Aktiven Galaktischen Kerne
AGNs sind Galaxien mit extrem energiereicher Quelle im Zentrum, vermutlich einem supermassiven Schwarzen Loch
um dieses herum verschiedene
Regionen von Wolken, Scheiben,
die absorbieren und emittieren
Quasar im Zentrum heller als
die restliche Galaxie
3C 273 berühmtes Beispiel
Der Doppelquasar
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Licht wird auf kosmologischen Distanzen vom Schwerefeld der
Materie abgelenkt: Gravitationslinsen-Effekt
führt zu interessanten Effekten wie Verstärkungen,
Verformungen und Mehrfachbildern
das erste Beispiel war der Doppelquasar 0957+561, ein Paar von
2 Quasaren mit identischer
Rotverschiebung und identischen
Spektren
später wurde auch die Galaxie
gefunden, die die Linse ist
Rotverschiebung
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sowohl Quasare als auch (normale) Galaxien wurden bis zu Rotverschiebungen von z > 6 gefunden
das entspricht im gängigen beschleunigt expandierenden Universum einer mitbewegten Entfernung von 9­10 Gpc
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oder einer lookback­time von 12 Gyr
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es fehlen noch: die Ersten Sterne und Galaxien
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danach kommt nur noch die kosmische Hintergrundstrahlung (CMB)
zur Erinnerung:
wir sehen nur den zeitlichen,
keinen räumlichen Rand
... und das nächste Mal
APOD vom 24.10.04: Der “Eagle­Nebel”