Hubbles Top Ten

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Hubbles Top Ten

Tanja Heftrich, Florian Trinter, Markus Waitz
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Allgemeines über Hubble
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Allgemeines über Hubble
Kurzdaten Abmessungen
Länge 13,1 m
Durchmesser 4,3 m
Masse 11.500 kg
Spiegeldurchmesser 2,4 m
Umlaufbahn 590 km Höhe
Start 25. April 1990
Kosten Bis heute circa 6,4 Mrd. Dollar
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Allgemeines über Hubble
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Allgemeines über Hubble
Geschichte

• 1972 erste Ausarbeitung des Hubble
  Weltraumteleskops von dem Marshall Space Flight
  Center (MSFC) in Alabama wurde vorgelegt
• geplante Kosten 450 Millionen Dollar
• Start für 1983 angestrebt
• 1974 Partner der NASA ESA mit 15 Beteiligung
• 1977 Bewilligung durch US-Kongress
• Seit 1983 Space Telescope Science Institute
  leitet Berieb
• 1986 Challenger Katastrophe verzögerte den
  Start um vier Jahre
• 24. April 1990 Start der Raumfähre Discovery
• 25. April 1990 Weltraumteleskop Hubble wurde
  ausgesetzt

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Allgemeines über Hubble
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Allgemeines über Hubble

• Anfang Mai 1990 erste Tests wiesen Fehler auf
• 20. Mai 1990 Sternhaufen NGL 3532 soll
  beobachtet werden das Bild war unscharf
• viele weitere Fehler wurden erkannt
• Sonnenpaneelen
• Fine Guidance Sensors
• Hauptspiegel
• Lösung COSTAR für den Hauptspiegel
• 02. Dezember 1993 Endeavour startet Mission
  STS-61 Hubble soll funktionstüchtig werden.
• 17. Dezember 1993 erste scharfe Aufnahmen des
  Sternhaufens NGL 3532 von Hubble!

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Allgemeines über Hubble

• Technik
• Vorgabe bei Entwicklung möglichst viele
  unterschiedliche Objekte ohne menschliches
  Justieren aufnehmen
• Allgemein
• Licht trifft auf Tubus und anschließend auf
  Hauptspiegel
• Licht wird auf Hilfspiegel im Zentrum des Rohrs
  zurückgeworfen
• es wird gemessen
• Lichtsammelvermögen es kann ein Glühwürmchen in
  16.000km Entfernung aufzeichnen und abbilden
• effektive Brennweite 57,6 m
• über Messinstrumente montiert Wide Field and
  Planetary Camera, die mit CCDs (charge couple
  devicec) ausgestattet ist, die für die Aufnahmen
  zuständig ist und sie zur Erde schickt
• in weiteren drei Ladebuchten Fine Guidance
  Sensors, um die Position des Teleskops zu
  erkennen
• im Herzen Messinstrumente zum Beispiel FOC (
  Faint Object Camera), um Auflösungsvermögen
  komplett zu nutzen
• GHRS (Goddard High Resolution Spektrograph) für
  ultraviolettes Licht
• Intensitätsbestimmung HSP (High speed
  photometer) ist nicht mehr vorhanden

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Allgemeines über Hubble

• Kurze Übersicht über Hubbles Erfolge
• Bilder der neun Planeten des Sonnensystems
• viele kosmologische Phänomene wurden analysiert
  und erklärt
• Hubblekonstante
• Nachweis von Schwarzen Löchern in Kernregion
• Hubble deep field und Hubble ultra deep
  field
• Eichung der kosmologischen Entfernungsskala
• kosmologische Konstante

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Allgemeines über Hubble
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1 Der große Kometeneinschlag
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1 Der große Kometeneinschlag

• Allgemeines
• eigentlich ist ein Kometeneinschlag nichts
  besonderes
• 1992 Komet passierte Roche-Grenze und zerbrach
  dabei in 21 Teile
• 16.-22. Juli 1994 Komet schlug auf Jupiter ein
• 10 Minuten nach Aufprall dunkle Wolken
  breiteten sich über Einsturzstelle aus
• Aufnahmen zeigten Schwerewellen breiteten sich
  mit einer Geschwindigkeit von 450 m/s aus. Dies
  ist auf das Gasgemisch zurückzuführen
• Nachwirkungen waren knapp ein Jahr

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1 Der große Kometeneinschlag
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1 Der große Kometeneinschlag

• Hinterlassenschaften von Shoemaker-Levy 9
• Cassini entdeckte späte Spuren
• heute Gase in Atmosphäre Jupiter
• über Infrarot-Bilder Zusammensetzung von
  Stürmen aufgewirbelten Atmosphäre auf Jupiter.
  Dort entdeckten Forscher zwei neue Verbindungen
• bei der Kollision des Kometen mit Jupiter
  entstand eine so hohe Temperatur, sodass die
  Verbindung Hydrogencyanid
• in den Wolkenbändern ist der Austausch begrenzt
• Verteilung von Kohlenstoffdioxid ist
  erstaunlich- WARUM?
• Eventuelle Lösung Die Reaktion, sodass
  Kohlenstoffdioxid entsteht, ist möglicherweise
  komplizierter als gedacht!

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1 Der große Kometeneinschlag
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1 Der große Kometeneinschlag

• Offene Fragen
• Wie lange werden die Einschlagnarben bestehen?
  Wird es einen langfristigen Effekt nach sich
  ziehen?
• Wie oft passiert so etwas auf Jupiter? Und auf
  der Erde?
• Vorläufige spektrographische Analysen konnten
  keine erwarteten Wassermengen aufweisen. Hatte SL
  9 Wassermangel verglichen mit anderen Kometen?

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2 Extrasolare Planeten
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2 Extrasolare Planeten

• Allgemeines
• aktuell etwa 210 Planeten in 182 Sternsystemen
  bekannt
• das entspricht 7 Sternen mit Planeten
• bisher nur selten Sterne mit mehreren Planeten
  (maximal 4)
• häufigste Form Hot Jupiters, heiße, schnell
  umlaufende Gasriesen
• Theorie diese sind weiter außen in stellarer
  Staubscheibe entstanden, auf Spiralbahnen nach
  innen gelangt bei kleinen Sternen reicht die
  Staubscheiben weiter nach innen gt je größer
  heißer der Stern, desto weiter weg sind die
  Planeten
• Sterne mit Planeten oft reich an schweren
  Elementen

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2 Extrasolare Planeten

• Nachweise
• Radialgeschwindigkeitsmethode durch gravitative
  Einflüsse Taumeln Stern und Planet um gemeinsamen
  SP, durch abwechselnde Blau- und Rotverschiebung
  messbar für große Planeten nahe am Stern,
  liefert nur eine Mindestmasse,
• Untersuchung von Durchgängen vor dem
  Zentralstern (Transitmethode), Sternenlicht wird
  periodisch abgeschwächt (etwa 1 bis 10 ), wenn
  Planet auf der Sichtlinie durchgeht für Planeten
  ab etwa Jupitergröße, liefert auch Informationen
  über Planetenatmosphäre (Absorptionslinien)
• Microlensing Gravitationslinsen verstärken das
  Licht von dahinter liegenden Objekten, wenn die
  Linse Planeten besitzt, wird der
  Helligkeitsverlauf verändert (Spitze von kurzer
  Dauer) auch für kleine Planeten möglich

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2 Extrasolare Planeten

• HD209458b
• Begleiter von sonnenähnlichem Stern (7.
  Größenklasse) im Sternbild Pegasus
• Entfernung 150 Lj
• Gasplanet, 70 der Masse von Jupiter, aber 30
  mal so groß wie dieser
• Temperatur an der Oberfläche ca. 1100 C, ist
  also ein Hot Jupiter
• Entfernung von Zentralstern ca. 6,5 Mio km,
  Umlaufzeit 3,5 Tage
• bisher keine Trabanten oder Ringe entdeckt

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2 Extrasolare Planeten

• Beobachtungen an HD209458b
• 1999 erster Transit beobachtet
• beim Transit fällt Sternenlicht durch Atmosphäre
  gt Absorptionslinien
• mit STIS ( Space Telescope Imaging
  Spectrograph) Spektren aufspalten und
  untersuchen
• mittlerweile nachgewiesen Na, S, C, O, H strömt
  weg gt kometenähnlicher Schweif
• weniger Na als erwartet, Vermutung
  absorbierende Wolken in der Atmosphäre

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2 Extrasolare Planeten

• Die Zukunft
• weitere Planeten entdecken und vergleichen
• während SWEEPS ( Sagittarius Window Eclipsing
  Extrasolar Planet Search) 16 mögliche Planeten
  auf kleinem Gebiet gefunden, Hochrechnungen
  ergeben etwa 6 Billionen Planeten in Jupitergröße
• aus abweichenden Elementhäufigkeiten der Planeten
  auf Leben schließen?

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3 Sterne im Todeskampf
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3 Sterne im Todeskampf

• Allgemeines
• Sterne mit mehr als 8 Sonnenmassen enden als
  Supernova
• im Kern Elemente bis Eisen aufgebaut, Kern
  kollabiert unter eigener Gravitation
• weiterer Verlauf abhängig von Kernmasse zw.
  1,44 und 3 Sonnenmassen Neutronenstern
• bei kleineren Sternen keine Explosion,
  Entwicklung zum weißen Zwerg
• äußere Gashüllen werden abgestoßen vom Kern
  zum Leuchten angeregt planetarische Nebel

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3 Sterne im Todeskampf

• Neutronensterne
• durch extreme Kräfte beim Kollaps werden
  Elektronen und Protonen zu Neutronen, Energie als
  Neutrinos abgestrahlt
• Neutronenschauer emittiert, führt zu Explosion
  der äußeren Schalen Bildung von schweren
  Elementen
• Kern hat nach Kollaps nur sehr kleinen
  Durchmesser, Pirouetteneffekt gt Rotation
• starkes Magnetfeld (Fluss gleich dem des Sterns)
  , wenn Achse nicht in Richtung Rotationsachse
  zeigt Radio- Emission Radio- Pulsar
• Röntgen- Pulsar ionisiertes Gas um den Pulsar,
  Elektronen können Bewegung des Magnetfelds nicht
  folgen, geben Energie als Strahlung ab

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3 Sterne im Todeskampf

• Supernova 1987A
• erdnächste SN seit 17. Jh. (damals in der
  Milchstraße)
• erstmals am 24.2.1987 nachgewiesen in Gr.
  Magellanscher Wolke (Entfernung ca. 55.000 Pc)
• erste SN, deren Vorgängerstern man kennt blauer
  Überriese, 17 Sonnenmassen, etwa 20 Mio. Jahre)
• jetzt vermutlich Neutronenstern

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3 Sterne im Todeskampf

• Beobachtungen an SN 1987A
• 3 Std. vor Strahlung viele Neutrinos
  nachgewiesen
• sanduhrförmige Gaswolke um den ehemaligen Stern,
  20.000 Jahre vor der Explosion entstanden (beim
  Verschlucken eines anderen Sterns?!)
• Gaswolke leuchtet aufgrund UV- Strahlung der
  Explosion
• Hubble sieht helle Punkte in der Gaswolke
  Schockwelle der Explosion komprimiert heizt Gas
• in der Mitte leuchten Trümmerteile, aufgeheizt
  durch Radioaktivität

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3 Sterne im Todeskampf
Bilder von SN 1987A
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3 Sterne im Todeskampf

• Planetarische Nebel
• Sterne mit Massen kleiner 8 Sonnenmassen
  explodieren nicht
• während Entwicklung zum weißen Zwerg werden
  äußere Gasschichten gestaffelt abgestoßen, als
  mehrere Ringe sichtbar
• heißer Kern liegt nun frei, heizt Gashülle auf
  bis zu 10.000 C
• verschiedene Farben aufgrund Ionisation durch
  Ionisation der abgestoßenen Schichten durch
  UV-Licht
• als Ursache der Formgebung gravitative,
  magnetische Einflüsse und Sternwinde vermutet
• typische Nebel 70 Wasserstoff, 28 Helium
• in der Milchstraße etwa 1500 bekannt
• Lebensdauer nur ca. 10.000 Jahre (Rekombination)
• enthaltene schwere Elemente wichtig für erneuten
  Sternaufbau

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3 Sterne im Todeskampf

• Katzenaugennebel NGC 6543
• entdeckt 1786 im Sternbild Drache
• einer der komplexesten (Knoten, Jets)
• Temperatur von 8000 K innen und 15.000 K außen
  (hochenergetische Photonen werden seltener und
  daher außen absorbiert)
• zentraler Stern O-Typ, 2/3 Sonnenradius, 80.000
  K, 10.000 mal heller als die Sonne, Teil eines
  Doppelsternsystems
• Sternwind beeinflusst Form und regt
  Röntgenemission an, Aushöhlung im Inneren

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3 Sterne im Todeskampf

• Beobachtungen an NGC 6543
• Berechnung der Entfernung mit Hilfe alter und
  neuer Hubble- Aufnahmen
• Vergrößerung der Ausdehnung jährlich 0,01 arcsec
  
• Expansionsgeschwindigkeit in Beobachtungsrichtung
  ca. 16,4 km/s (Dopplereffekt)
• gt Entfernung ca. 1000 Pc
• Alter dem entsprechend unter 1000 Jahre

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3 Sterne im Todeskampf
Bilder von NGC 6543
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3 Sterne im Todeskampf

• Offene Fragen
• konzentrische Ringe im Abstand von ca. 500
  Jahren ausgestoßen, zu kurz für Wärmepulsationen
  (10.000 Jahre), zu lang für dynamische Pulsation
  (Jahrzehnte)
• Akkretionsscheibe um Zentralstern beeinflusst
  mit Jets die ausgestoßene Materie,
  Richtungsänderung aufgrund von Präzession
• Ergebnisse aus Vermessung von Emissionslinien
  differieren um Faktor 3

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4 Kosmische Geburten
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4 Kosmische Geburten

• Sternentstehung
• Ein großer Anteil der Sterne ist im Frühstadium
  des Universums vor über 10 Milliarden Jahren
  entstanden
• Aber auch heute bilden sich noch Sterne
• Bei der Sternentstehung treten gebündelte
  Gasströme auf Jets
• Stern-Embryo kann ein Paar Jets ausstoßen, das
  sich über mehrere Lichtjahre erstreckt

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4 Kosmische Geburten
Aufnahmen eines entstehenden
Sterns oben ein leuchtender Jet von 12
Lichtjahren Länge in einer optischen Aufnahme,
in der unteren Infrarotaufnahme die Staubscheibe,
deren Rand wir als Balken in der Mitte eines
dunklen Doppelkegels erkennen.
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4 Kosmische Geburten

• Phasen der Sternentstehung
• 1. Phase
• Ausgangspunkt Gaswolke, die überwiegend aus
  Wasserstoff besteht und aufgrund ihrer eigenen
  Schwerkraft kollabiert
• Jeans-Kriterium Schwerkraft dominiert den
  Gasdruck
• 2. Phase
• Durch weitere Verdichtung der Gaswolke entstehen
  einzelne Globulen (räumlich eng begrenzte Staub-
  und Gaswolken), aus denen anschließend die Sterne
  hervorgehen
• Sterne entstehen eher in Gruppen als isoliert
• 3. Phase
• Durch weitere Kontraktion der Globulen steigt
  die Dichte und wegen der freiwerdenden
  Gravitationsenergie die Temperatur weiter an
  (Virialsatz)
• Kollaps kommt zum Stillstand, wenn die Wolke die
  Hayashi-Linie im Farben-Helligkeitsdiagramm
  erreicht hat.

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4 Kosmische Geburten

• Phasen der Sternentstehung
• Stern bewegt sich entlang der Hayashi-Linie auf
  die Hauptreihe zu
• Dort setzt das Wasserstoffbrennen ein, d.h.
  Kernfusion von Wasserstoff zu Helium durch den
  Bethe-Weizsäcker-Zyklus oder die
  Proton-Proton-Reaktion
• Aufgrund des Drehimpulses der Globulen bildet
  sich eine Scheibe aus, die den jungen Stern
  umkreist und aus der Scheibe wird weitere Materie
  akkretiert
• Aus der Ebene der Scheibe wird die Ekliptik
  (Bahnebene)
• Bei der Akkretion aus der Scheibe bilden sich
  schließlich in beide Richtungen der Polachsen
  Materie-Jets (Länge von über 10 Lichtjahren
  möglich)

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4 Kosmische Geburten
Phasen der Sternentstehung Farben-Helligkeits-D
iagramm
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4 Kosmische Geburten
Phasen der Sternentstehung Sternentwicklung

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4 Kosmische Geburten
Aktives Sternentstehungsgebiet
NGC604 mit einem Durchmesser von 1300 Lichtjahren
in der Triangelgalaxie M33
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4 Kosmische Geburten

• Szenarien der Sternentstehung je nach Masse
• mehr als 60 Sonnenmassen
• können durch Akkretion nicht entstehen, da der
  Massenverlust durch starken Sternwind die
  Akkretionsrate übersteigen würde (enstehen durch
  Sternkollision)
• mehr als 8 Sonnenmassen
• kontrahieren recht schnell, nach der Zündung der
  Kernfusion treibt die UV-reiche Strahlung die
  umgebende Globule schnell auseinander und der
  Stern akkretiert keine weitere Masse
• zwischen 3 und 8 Sonnenmassen
• durchlaufen eine Phase, in der sie sich schon auf
  der Hauptreihe befinden, aber noch einige Zeit
  Masse akkretieren

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4 Kosmische Geburten

• Szenarien der Sternentstehung je nach Masse
• ca. 1 Sonnenmasse
• bleiben nach der Zündung der Kernfusion noch
  einige Zeit in die Globule eingebettet und
  akkretieren weiter Masse. In dieser Zeit nur im
  IR-Bereich erkennbar
• unter 0,07 Sonnenmassen
• erreichen nicht die nötige Temperatur, um eine
  Kernfusion zu zünden

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4 Kosmische Geburten

• Sternpopulationen
• Population III Frühstadium des Universums, nur
  Wasserstoff und Helium standen zur Verfügung,
  massereiche und somit kurzlebige Sterne, heute
  nicht mehr existent
• Population II Noch heute existent, vor allem im
  Halo der Milchstraße, aber auch in Sonnennähe
• Population I Später entstandene Sterne
  enthalten von Beginn an gewissen Anteil an
  schweren Elementen, die von Supernova-Explosionen
  früherer Sterngenerationen stammen. Die meisten
  Sterne der Milchstraße gehören zur Population I

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4 Kosmische Geburten

• Entstehung der Jets
• Es existiert ein mit der Gas- und Staubscheibe
  verwobenes großräumiges Magnetfeld
• Strahlung des Sterns ionisiert Materie
• Ionisierte Materie wird gezwungen sich entlang
  der Magnetfeldlinien zu bewegen
• Vergleiche Perlen auf einer rotierenden Schnur

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4 Kosmische Geburten

• Beobachtungen
• Bestätigt
• Jets gehen vom Zentrum der Scheibe aus gt Modell
  für Jets somit richtig
• Widerlegt
• zirkumstellare Scheiben unbeobachtbar, da diese
  tief in den Gaswolken der Stern-entstehungsregione
  n verborgen liegen
• Hubble lieferte jedoch zahlreiche Bilder
  unverdeckter Scheiben
• Diese gelten als Entstehungsorte für Planeten
  und werde daher auch als proto-planetary disks
  (Proplyds) bezeichnet

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5 Galaktische Archäologie
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5 Galaktische Archäologie

• Galaxienstrukturen
• Vermutung Welteninseln wie die Milchstraße oder
  die Andromeda-Galaxie verschlucken im Laufe der
  Zeit kleinere Galaxien
• Vergangenheit der Galaxien abzulesen aus
  Verteilung, Alter, Zusammensetzung sowie
  Geschwindigkeiten der Sterne
• Hubble ist ein ausgezeichnetes Nachweis-Werkzeug
  für Galaxienstrukturen

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5 Galaktische Archäologie

• Beispiel 1 Halo der Andromeda-Galaxie
• Wolke aus Sternen und Sternhaufen, die weit über
  die sichtbare Scheibe dieser Galaxie hinausreicht
• Mithilfe von Hubble wurde herausgefunden, dass
  die Sterne im Halo unterschiedlichen Alters sind
• Einige sind 11 bis 13,5 Milliarden Jahren alt,
  doch die meisten nur 6 bis 8 Milliarden Jahre
• Man vermutet, dass die jüngeren Sterne früher zu
  einer kleineren Nachbargalaxie gehört haben, die
  dann durch die Andromeda-Galaxie verschluckt
  wurde
• Diese Sterne könnten aber auch infolge eines
  Zusammenstoßes oder einer nahen Begegnung der
  Galaxie mit einem kosmischen Nachbarn und somit
  einer Störung ihrer Scheibe entstanden sein

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5 Galaktische Archäologie

• Beispiel 2 Halo unserer Milchstraße
• Dieser enthält keine solchen jungen Sterne
• Trotz der äußerlichen Ähnlichkeit zur
  Andromeda-Galaxie muss ihre Geschichte also
  unterschiedlich sein
• gt Während der Andromeda-Nebel eine
  Spiralgalaxie ist, ist unsere Milchstraße wohl
  eine Balkenspiralgalaxie, d.h. hat bereits
  Fusionen mit anderen Galaxien hinter sich

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5 Galaktische Archäologie

• Galaxie-Klassifikation nach Hubble
• Galaxien werden nach ihrer Morphologie in
  verschiedene Haupt- und Untergruppen der
  sogenannten Hubble-Klassifikation eingeteilt
• Die einzelnen Typen sind
• Elliptische Galaxien
• Lentikuläre Galaxien
• Spiralgalaxien
• Balkenspiralgalaxien
• Irreguläre Galaxien

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Galaxietypen nach
der Hubble-Klassifikation "E" steht für
Elliptische Galaxien, "S" steht für Spiralen und
"BS" für Balkenspiralen.
5 Galaktische Archäologie
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5 Galaktische Archäologie

• Elliptische Galaxien
• Die Linien gleicher Helligkeit haben die Form
  einer Ellipse
• Gleichmäßiger Helligkeitsabfall von innen nach
  außen
• Sternentstehungsrate Null, da kein Gas vorhanden
  ist
• Je nach Exzentrizität von E0 bis E7 eingeteilt,
  wobei E7 z.B. Exzentrizität von 0,7 bedeutet
  (stark elliptisch) und E0 kreisförmig ist
• Hellste Galaxien sind meistens elliptische
  Galaxien
• Wahrscheinlich durch die Verschmelzung mehrerer
  kleiner bis mittelgroßer Galaxien entstanden
• Fusion von Andromeda-Galaxie und Milchstraße in
  ca. 5 Milliarden Jahren würde wahrscheinlich auch
  zu einer elliptischen Galaxie führen

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5 Galaktische Archäologie

• Lentikuläre (linsenförmige) Galaxien
• Kern entspricht Spiralgalaxien, die galaktische
  Scheibe enthält jedoch keine Spiralarme, sondern
  ist etwa gleichmäßig hell
• Beispiel M 102

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5 Galaktische Archäologie
Lentikuläre (linsenförmige) Galaxien M102
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5 Galaktische Archäologie

• Spiralgalaxien
• Kugelförmiger Kern (Bulge) und davon ausgehende
  Spiralarme
• Bulge ähnelt einer elliptischen Galaxie und
  zeigt keine Sternentstehung, jedoch
  Sternentstehung in den Spiralarmen, da hier Gas
  und Staub vorhanden ist
• Unterteilung in Sa, Sb und Sc, wobei Sa-Galaxien
  einen sehr ausgeprägten Kern und eng gewundene
  Spiralarme besitzen (z.B. Sombreronebel M 104),
  Sc besitzen einen relativ schwachen galaktischen
  Kern und äußerst locker gewundene Spiralarme
  (z.B. Dreiecksnebel M 33)
• Ist die Spiralstruktur nur angedeutet und kaum
  von der galaktischen Scheibe zu unterscheiden,
  spricht man von flockigen Spiralnebeln
  (flocculent spirals)

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5 Galaktische Archäologie
Spiralgalaxien Sombreronebel M104 /
Dreiecksnebel M33
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5 Galaktische Archäologie

• Spiralarme
• Spiralarme sind die Gebiete der Sternentstehung
  und erhöhter Materiedichte
• Entstehen aus dem Zusammenwirken von Gravitation
  und Sternentstehung und enthalten große Mengen
  Gas
• Erforschung über 21-cm-Radiostrahlung
• Auch außerhalb der Spiralarme befinden sich
  (alte, massearme) Sterne, allerdings weniger
  leuchtstarke, deswegen scheinen diese Bereiche
  leer zu sein
• Die einzelnen Sternen laufen aus den Spiralarmen
  heraus und hinein
• besonders massereiche und leuchtkräftige Sterne
  (z.B. O-, B-Sterne, Überriesen, Cepheiden) treten
  als Spiralarme hervor
• Spiralarme sind nicht statisch, sondern können
  entstehen und vergehen

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5 Galaktische Archäologie

• Balkenspiralgalaxien
• langer Balken, der vom Zentrum ausgeht und an
  den sich dann die Spiralarme anschließen (z.B. M
  109)
• Unterteilung in SBa, SBb und SBc
• Milchstraße ist wahrscheinlich eine
  Balkenspiralgalaxie

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5 Galaktische Archäologie
Balkenspiralgalaxien M109
61
NGC 1300,
eine Balkenspirale vom Hubble-Typ SBb
5 Galaktische Archäologie
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5 Galaktische Archäologie

• Irreguläre (unregelmäßige) Galaxien
• weder Spiralarme noch elliptische Form
• leuchtschwächer als elliptische und
  Spiralgalaxien
• Zwerggalaxien meistens irregulär

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5 Galaktische Archäologie

• Weitere Galaxientypen
• Zwerggalaxien, wobei elliptische Zwerggalaxien
  unterteilt werden in kompakte und diffuse
  Galaxien
• Wechselwirkende Galaxien (Gezeitenarm-Galaxien,
  Polarring-Galaxien)
• Aktive Galaxien - AGN
• Radiogalaxien, Seyfertgalaxien, BL
  Lacertae-Objekte (keine Absorptions- und
  Emissionslinien), Quasare (größte Helligkeit)

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6 Supermassereiche Schwarze Löcher
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6 Supermassereiche Schwarze Löcher

• Überblick
• mit Hubble Andromeda Galaxie (massereiches
  Schwarzes Loch mit 140 Millionen Sonnenmassen)
  beobachtet
• Schwarze Löcher sind von einem Bulge umgeben,
  welches eine kleine Scheibe aus jungen Sternen
  darstellt
• Ursprung ungeklärt

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6 Supermassereiche Schwarze Löcher
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6 Supermassereiche Schwarze Löcher

• Jede Galaxie hat ein Supermassereiches Schwarzes
  Loch (SMSL)
• eines der wichtigsten Entdeckung Bulge
• Masse der Galaxie allgemein ist mehrere
  Milliarden Sonnenmassen. Die Masse eines Bulges
  entspricht etwa 0,15 der Masse des Schwarzen
  Lochs (SL)
• Entstehung und Wachstum eng verbunden mit ihrer
  Galaxie
• eventuelle Entstehungsquellen
• kollabierendes Gas
• Explosion des ersten massereichen Sterne
• SLs wuchsen, indem sie sich mit ihren Galaxien
  vereinten
• SMSL akkretiert eventuell einen Teil des
  interstellaren Gases, indem Materie ins
  Galaxiezentrum befördert wird
• in Akkretionsphase SL aktiv. In diesem Status
  wir ein Teil der Gravitatonsenergie in
  elektromagnetische Energie umgewandelt. Daraus
  folgen die sogenannten Quasare
• bei Galaxienverschmelzung Wachstum
• das starke Strahlungsfeld des akkretierenden SL
  ionisiert interstellares Gas. Daraus wird die
  Bildung von Sternen reguliert

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6 Supermassereiche Schwarze Löcher
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6 Supermassereiche Schwarze Löcher

• Das SL in M31
• Beobachtungen interessant, da man durch
  vergleichen mit anderen Galaxien bestimmte
  Regelmäßigkeiten erkennen kann
• M31 ist eine benachbarte Spiralgalaxie, nur 2,3
  Lichtjahre entfernt und zudem ein nahezu Zwilling
  der Milchstraße
• erster Hinweis auf SMSL in M31. 1988 John
  Kormendy, Alan Dressler und Douglas Richstone
  entdeckten zentrale dunkle Masse mit groben
  Schätzungen von 20-80 Millionen Sonnenmasse
• Hubble war in der Lage diese wagen Angaben der
  Masse zu präzisieren und somit definitiv auf ein
  SMSL zu schließen
• 1993 Hubble fand erste ungewöhnliche Strukturen
  des SMSL in M31 Galaxie hat Doppelhaufen roter
  Sterne, dessen Kerne etwa 5 Lichtjahre entfernt
  sind
• Erstaunen über diese Beobachtungen, da beide
  Kerne innerhalb kurzer Zeit verschmelzen
• sehr unwahrscheinlich, dass wir gerade in dieser
  kurzen Phase die Galaxie beobachten
• Lösung Scott Tremaine roter Doppelkern ist
  eine exzentrische Scheibe alter Sterne, die um
  SMSL rotiert
• diese Lösung fand immer mehr Bestätigung, da
  eine kompakte blaue Lichtquelle fast an Position
  der schwächeren roten Quelle war

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6 Supermassereiche Schwarze Löcher

• Die blauen, jungen Sterne um SL von M31
• durch Hubble blaues Licht von Sternen im
  Entstehungsausbruch, die vor nur 200 Millionen
  Jahren entstanden sind
• Sterne sind eng kompakt in einer Scheibe von
  einem Radius mit circa einem Lichtjahr
• Analyse von Bildern mit Widefiel and Planetary
  Camera (WFPC)
• von der Erde aus gesehen rote und blaue Ebene
  haben gleichen Neigungswinkel. Daraus folgt ein
  physikalischer Zusammenhang
• mit Spektroskopie Geschwindigkeit der blauen
  Sterne
• dies weist auf ein SMSL mit circa 140 Millionen
  Sonnenmassen hin
• die Geschwindigkeit der Sterne lässt auf Masse
  des SL schließen
• aufgrund der Hubble-Aufnahmen ist eine
  Alternative zu einem SMSL auszuschließen
• NGL 4258 nahe SMSL Scheibe aus Wassermasern
• Andromeda erste Galaxie, bei der alle
  Alternativen zu einem SL größtenteils mit Hilfe
  Hubbles ausgeschlossen wurden

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6 Supermassereiche Schwarze Löcher

• Fragen
• Wie können Sterne in so nahem Abstand sich
  bilden?
• Wie kann dort Gas und Staub kollabieren und zu
  Sternen werden?
• In unserer Galaxie sind zwar auch junge Sterne,
  jedoch nicht geordnet auf einer Scheibe wie bei
  Andromeda

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6 Supermassereiche Schwarze Löcher
Fazit Unwahrscheinlich, dass nur wir und unsere
Nachbargalaxien auf diese Weise aufgebaut sind.
Daraus folgt eventuell eine Regelmäßigkeit, die
mit Hilfe von Hubble entdeckt und erforscht
werden konnte
73
7 Die größten Explosionen
74
7 Die größten Explosionen

• Allgemeines
• Gammastrahlenausbrüche, plötzlich auftretende
  energiereiche Strahlungspulse, nur in fernen
  Galaxien beobachtet
• nur vom Weltall aus zu beobachten
• 1967 zuerst von amerikanischem
  Forschungssatellit entdeckt, der Atombombentest
  aufspüren sollte
• Dauer von wenigen Millisekunden bis zu einigen
  Minuten
• Nachglühen im optischen, Radio- und
  Röntgenbereich (Tage bis Wochen), wichtig für
  Positionsbestimmung
• bis heute mehrere tausend bekannt

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7 Die größten Explosionen

• Theorie
• gleichförmig über den Himmel verteilt gt
  extragalaktisch
• Entstehungsgebiet kann nicht sehr groß sein
  aufgrund kurzer Dauer (Durchmesser ist das
  Produkt aus Helligkeitsänderung und
  Lichtgeschwindigkeit, zusätzlich relativistische
  Effekte), also Objekte in Sternengröße als
  Ursache
• Bei gleichmäßiger Abstrahlung wäre ungeheure
  Strahlungsleistung (bis 10E45 W) nötig, deshalb
  wahrscheinlich gebündelte Jets

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7 Die größten Explosionen

• Gammastrahlenausbrüche
• Unterteilung in Abhängigkeit von der Dauer
• länger als 2 Sekunden bei einigen gleichzeitig
  Supernova beobachtet, nur in Sternentstehungsgebie
  ten nachgewiesen gt wahrscheinlich Kollaps
  massereicher Sterne (Hypernovae), als Resultat
  rotierendes schwarzes Loch mit Jets, die
  Gammastrahlung freisetzen
• kürzer als 2 Sekunden gesamte freigesetzte
  Energie geringer, aber Strahlung selbst
  energiereicher, vermutlich Verschmelzung von
  Neutronensternen und/ oder schwarzen Löchern

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7 Die größten Explosionen

• Beobachtungen an GRB 971214
• entdeckt am 14.12.1997 vom italienisch-holländisc
  hen Satelliten BeppoSAX, nach Feststellen der
  Position Beobachtung des Nachglühens mit Hubble
• mit schwächer werdendem Nachglühen entfernte
  Galaxie an gleicher Stelle identifiziert
• Entfernungsbestimmung ergab 12 Mill. Lj

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7 Die größten Explosionen
Bild von GRB 971214
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8 Am Rand der Welt
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8 Am Rand der Welt

• Das frühe Universum
• Um eine Vorstellung davon zu gewinnen, wie
  heutige Galaxien früher aussahen und somit die
  Entwicklung der Galaxien bis zu ihrem Ursprung
  zurückzuverfolgen, wird versucht Bilder von
  Galaxien aller Altersstufen aufzunehmen
• Hubble macht dazu extrem lang belichtete
  (tiefe) Aufnahmen
• Je weiter weg die Objekte sind, desto älter ist
  das von ihnen ausgesandte Licht und desto früher
  in ihrer Entwicklung wurde es ausgesandt
• Mithilfe von Hubble Deep Fields, Hubble Ultra
  Deep Field und Great Observations Origins Deep
  Survey können Aufnahmen von einem relativ frühen
  Stadium der Galaxien gemacht werden

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8 Am Rand der Welt

• Frühe Galaxien
• Das Alter der Galaxien auf diesen empfindlichen
  Aufnahmen beträgt erst wenige hundert Millionen
  Jahre, also 5 des heutigen Alters
• Die damaligen Galaxien waren kleiner und
  unregelmäßiger geformt als die heutigen
• Logisch richtig, wenn man davon ausgeht, dass
  heutige Galaxien aus der Verschmelzung kleinerer
  Systeme entstanden sind (und nicht durch Teilung
  größerer Galaxien)

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8 Am Rand der Welt

• Die tiefen Felder
• Aus den Beobachtungen der tiefen Felder kann man
  auch auf die geschichtliche Entwicklung der
  Sternentstehung schließen
• 1 Milliarde Jahre nach dem Urknall sind
  erstaunlich viele Sterne entstanden
• In den vergangenen 7 Milliarden Jahren ist die
  Sternentstehungsrate bis auf 10 des damaligen
  Wertes gesunken.

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8 Am Rand der Welt
Das Hubble Ultra Deep Field der bislang
tiefste Blick ins Universum.
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8 Am Rand der Welt

• Hubble Deep Field
• Als Hubble Deep Field (HDF) bezeichnet man das
  Bild eines kleinen Teils des Sternenhimmels,
  welcher von der NASA im Dezember 1995 mit dem
  Hubble Space Telescope (Wide Field and Planetary
  Camera 2) intensiv fotografiert wurde
• Als Zielbereich für die 10tätige Aufnahme wurde
  ein scheinbar leerer, recht kleiner Bereich (144
  Bogensekunden) ausgewählt, der frei von störenden
  Sichteinflüssen und umgebenden hellen Sternen ist
• In diesem Bereich liegen einige der jüngsten und
  am weitesten entfernten Galaxien, die je
  beobachtet wurden
• In Verbindung mit dem Hubble Deep Field South
  wurde gefolgert, dass das Universum homogen und
  isotrop ist und sich die Erde in keinem
  speziellen Gebiet des Universums befindet
  (Kosmologisches Prinzip)

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8 Am Rand der Welt

• Hubble Deep Field
• Auf dem fertigen Bild sind über 3000 irreguläre
  und Spiralgalaxien erkennbar
• Ergebnisse Man entdeckte eine Vielzahl von
  unterschiedlichen Galaxienformen, -größen und
  farben. Speziell wurde eine Vielzahl von
  Galaxien mit großer Rotverschiebung entdeckt
• Aufgrund der großen Rotverschiebungen (bis zu 6)
  ergeben sich mithilfe des Hubbleeffekts
  (Vergrößerung des Abstandes von der Erde aufgrund
  Expansion des Universums) Entfernungen von 12
  Milliarden Lichtjahren
• Die Galaxien im HDF haben einen höheren Anteil
  an gestörten und unregelmäßigen Galaxien als im
  lokalen Universum, denn Galaxienkollisionen und
  -verschmelzungen traten im jungen Universum
  wesentlich häufiger auf als heute
• Aus dem Zustand, den die Galaxien in den
  verschiedenen Entwicklungsstadien haben, können
  Astronomen die Veränderungen der
  Sternentstehungsrate über die Lebenszeit des
  Universums abschätzen

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Details vom HDF zeigen
eine Vielzahl von unterschiedlichen
Galaxienformen, -größen und -farben in den
Tiefen des Universums
8 Am Rand der Welt
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8 Am Rand der Welt

• Hubble Ultra Deep Field
• Das Hubble Ultra Deep Field (HUDF) wurde
  2003/2004 insgesamt über ca. 4 Monate (1 Million
  Sekunden) aufgenommen und ist das tiefste Bild
  des Universums, das jemals erstellt wurde
• Wie beim HDF wurde ein relativ kleiner und kaum
  störende helle Sterne enthaltender Bereich
  gewählt
• Das HUDF enthält ca. 10.000 Galaxien und
  kosmische Objekte
• Es zeigt die lichtschwächsten und damit am
  weitesten entfernten Galaxien, die bisher
  beobachtet wurden. Man sieht somit Galaxien aus
  dem Dunklen Zeitalter (800 Millionen Jahre nach
  dem Urknall)
• Das HUDF weist darauf hin, dass der Anteil von
  irregulären Galaxien mit der Rotverschiebung,
  also der Entfernung zunimmt, die
  durchschnittliche Galaxiengröße dagegen abnimmt.
  Die Sternentstehungsrate war bei hoher
  Rotverschiebung deutlich höher als heute

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Das HUDF zeigt Galaxien
verschiedenen Alters, Größe, Form. Die
kleinsten, rotesten Galaxien, ungefähr 100 an
der Zahl, gehören zu den am weitesten entfernten
derzeit bekannten Galaxien.
8 Am Rand der Welt
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8 Am Rand der Welt

• Herkunft, Alter und Zusammensetzung des
  Universums
• Urknalltheorie Universum entsteht zu einem
  bestimmten Augenblick (Urknall, Big Bang) aus
  einer winzigen Singularität heraus und dehnt sich
  seitdem aus
• Offen bleibt, was vor dem Urknall war und
  wodurch er verursacht wurde
• Jedoch wird ausgesagt, dass Zeit, Raum und
  Materie erst mit dem Urknall entstanden sind,
  dadurch kann es kein davor geben
• Planck-Ära Die ersten Sekunden nach
  dem Urknall
• Bei einer sehr kleinen Masse des Universums
  herrschten riesige Temperatur
  
• und Dichte sowie die
  Planck-Energie von
• Erst nach dieser Planck-Zeit können die weiteren
  Abläufe physikalisch nachvollzogen werden.

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8 Am Rand der Welt

• Herkunft, Alter und Zusammensetzung des
  Universums
• Alter des Universums ist aufgrund von
  Präzisionsmessungen des Satelliten WMAP mit 13,7
  Milliarden Jahren relativ genau datierbar
• Dieses Alter kann auch durch Extrapolation von
  der momentanen Expansionsgeschwindigkeit des
  Universums berechnet werden
• Diese Berechnung hängt jedoch stark von der
  Zusammensetzung des Universums ab, da durch
  Materie verursachte Gravitation die
  Beschleunigung verlangsamt
• Dunkle Energie kann die Expansion allerdings
  auch beschleunigen
• Bei Annahme von 4 baryonischer Materie, 30
  dunkler Materie und 70 dunkler Energie stimmen
  beide Methoden sehr gut überein

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8 Am Rand der Welt

• Herkunft, Alter und Zusammensetzung des
  Universums
• Im intergalaktischen Raum beträgt die
  Materiedichte ca. ein Wasserstoff-Atom pro
  Kubikmeter, innerhalb von Galaxien ist sie
  wesentlich höher (gt das Universum ist leer)
• Die Hintergrundstrahlung entstand 380.000 Jahre
  nach dem Urknall und besitzt heute eine
  Temperatur von 3K (Geburtsschrei des
  Universums)
• Dunkle Energie ist für die beschleunigte
  Expansion des Universums verantwortlich, ihre
  Existenz wird durch Satelliten wie COBE und WMAP
  sowie Gravitationseffekte und die
  Galaxienverteilung im Universum bestätigt
• Sie wirkt im Gegensatz zu normaler Materie bzw.
  Energie antigravitativ
• Ohne dunkle Energie würde sich also die
  Expansion des Universums verlangsamen
  (Gravitationswirkung der Materie) und bei
  genügend vorhandener Materie letztendlich
  umkehren Das Universum würde in einem
  sogenannten Big Crunch wieder in sich
  zusammenstürzen und zu einer Singularität
  kollabieren

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9 Das Alter des Universums
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9 Das Alter des Universums

• Alter des Universums
• 1920er Edwin Hubble und viele Astronomen waren
  der Ansicht, dass wir in einem expandierenden
  Universum leben
• Hubble Milchstraße nicht im Mittelpunkt des
  Universums
• kosmologisches Prinzip unser Universum ist
  isotrop und homogen
• Andromedanebel bewegt sich auf uns zu, aufgrund
  der Massenanziehung
• Hubble bewies mit zunehmenden Abstand wird
  Fluchtgeschwindigkeit größer
• ABER nur Raum expandiert
• Materieansammlung Expansion ist nicht stark
  genug, um Gravitations- und elektromagnetische
  Kraft zu überwinden
• Hubble-Konstante ist definiert als die
  Fluchtgeschwindigkeit geteilt durch die
  Entfernung. Diese zu bestimmen war eine der
  Hauptaufgaben Hubbles
• die Hubble-Konstante ist noch heute sehr
  umstritten, da Entfernungsbestimmung selbst über
  Cepheiden und Supernovae nicht exakt bestimmbar
  ist
• eigentlich ist die Hubble-Konstante keine
  Naturkonstante, da sie durch die
  Gravitationskraft beeinflusst wird

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9 Das Alter des Universums
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9 Das Alter des Universums

• Kosmische Verlangsamung
• Abbremsung ist abhängig von gesamter Materie im
  Weltall
• Verlangsamung lässt sich nur messen
• 1967 Beatrice Tinsley entdeckte, dass die
  Leuchtkraft mit zunehmendem Alter abnimmt
• zudem wird mit zunehmendem Alter die Tendenz
  sich mit anderen Galaxien zu vereinen größer
• es ist nur schwer möglich anhand ferner Galaxien
  die Fluchtgeschwindigkeit zu messen

96
9 Das Alter des Universums
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9 Das Alter des Universums

• Das Alter des Universums
• Es werden unterschiedliche Thesen vertreten
• der Kehrwert der Hubble-Konstante bestimmt das
  Alter des Universums
• wenn keine kosmologische Verlangsamung wäre,
  wäre das Alter der Kehrwert der
  Hubble-Konstanten. Daraus folgt das wirkliches
  Alter Entfernung geteilt durch Geschwindigkeit
• über das Alter des Universums wird viel
  spekuliert
• WMAP zeigt uns kosmische Hintergrundstrahlung
  ein weiterer Schritt in die Vergangenheit
• Bestimmung von Hubble-Konstante wird immer
  präziser aufgrund weiterentwickelter Techniken
  und Weltraumteleskopen
• Hubble hat bereits eine Vielfalt an Messungen
  der Abstände bis in große Distanzen aufgewiesen,
  die an den Sternen der Milchstraße geeicht werden
• durch Kombination mit kosmischer
  Hintergrundstrahlung folgt ein Alter der Welt von
  13,7 Millionen Jahren

98
9 Das Alter des Universums
99
10 Das beschleunigende Universum
100
10 Das beschleunigende Universum

• Allgemeines
• Universum expandiert beschleunigt, 1998 anhand
  Typ 1a Supernova nachgewiesen
• beschleunigte Phase begann vor etwa 5 Milliarden
  Jahren, davor wurde Ausdehnung durch Gravitation
  abgebremst
• mögliche Ursache für Beschleunigung Dunkle
  Energie, laut Messungen des Mikrowellenhintergrund
  s ca. 70 des Universums möglicherweise Energie
  des Vakuums

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10 Das beschleunigende Universum

• Beobachtungen an SN2002dd (Hubble Deep Field)
• Typ 1a Supernova haben gleiche Helligkeit
  (Standartkerze), Möglichkeit der
  Entfernungsbestimmung
• Vergleich von Supernova- Bildern von 1995 und
  2002
• ältere Supernova ca. 8 Milliarden Lj entfernt,
  im abbremsenden Universum, jüngere ca. 5
  Milliarden Lj entfernt, beschleunigtes Universum
  decken Übergangsbereich

102
10 Das beschleunigende Universum
Bild von SN2002dd
103

• Quellen
• hubblesite.org
• raumfahrt.net
• khunsley.com
• peter-junglas.com
• NASA
• Wikipedia
• Hubble Heritage Project
• Spektrum der Wissenschaft
• Astro- Lexikon (A. Müller)
• eigene Astro- Unterlagen