Dynamika a vývoj galaxiíDynamika a vývoj galaxií Bruno JungwiertBruno Jungwiert Astronomický ústav Akademie věd České republiky, v.v.i.,Astronomický ústav Akademie věd České republiky, v.v.i., Oddělení Galaxie a planetární systémy (GPS), PrahaOddělení Galaxie a planetární systémy (GPS), Praha bruno@ig.cas.czbruno@ig.cas.cz Brno, PřF MU, březen – květen 2011 Program přednášky:Program přednášky: I.I. Klasifikace galaxiíKlasifikace galaxií Hmotnostní, prostorové a časové škályHmotnostní, prostorové a časové škály II.II. Složky galaxií: bulge, disk, halo,Složky galaxií: bulge, disk, halo, spirální ramena, příčky, hvězdokupyspirální ramena, příčky, hvězdokupy Hvězdy, plyn, temná hmotaHvězdy, plyn, temná hmota III.III. Profily svítivostiProfily svítivosti Luminozitní funkceLuminozitní funkce IV.IV. Gravitační potenciálGravitační potenciál Dvojice potenciál-hustotaDvojice potenciál-hustota V.V. Dráhy v galaxiíchDráhy v galaxiích VI.VI. Rovnováha bezsrážkových systémůRovnováha bezsrážkových systémů Rozdělovací funkceRozdělovací funkce Boltzmannova rovniceBoltzmannova rovnice Jeansovy rovniceJeansovy rovnice VII.VII. Gravitační nestabilitaGravitační nestabilita Teorie spirálních hustotních vlnTeorie spirálních hustotních vln Příčky, dvojpříčkyPříčky, dvojpříčky VIII.VIII. Interakce galaxiíInterakce galaxií Slapové síly, dynamický tlakSlapové síly, dynamický tlak Dynamické třeníDynamické tření Galaktický kanibalismusGalaktický kanibalismus IX.IX. N-částicové simulaceN-částicové simulace X.X. Vznik hvězd, aktivní galaktická jádra,Vznik hvězd, aktivní galaktická jádra, koevoluce galaxií a centrálních černých děrkoevoluce galaxií a centrálních černých děr IX.IX. Vznik galaxiíVznik galaxií Expanze vesmíruExpanze vesmíru KAPITOLA IKAPITOLA I I.1. Základní klasifikace galaxiíI.1. Základní klasifikace galaxií (Hubble, de Vaucouleurs)(Hubble, de Vaucouleurs) I.2. Bulge, příčky, dvojpříčky,I.2. Bulge, příčky, dvojpříčky, prstence, nukleární spirályprstence, nukleární spirály I.3. Radiální profily plošné jasnostiI.3. Radiální profily plošné jasnosti (Hubble-Reynolds,(Hubble-Reynolds, modifikovaný Hubbleův profil,modifikovaný Hubbleův profil, de Vaucouleurs, Sérsić, Freeman)de Vaucouleurs, Sérsić, Freeman) Obrázky a vzorce, u nichž není uveden zdroj, jsou převzaty z učebnice Galactic Dynamic (Binney & Tremaine 1987) The Hubble tuning fork (1925, Mt. Wilson) Elliptical (E), lenticular (S0), normal spiral (S), barred spiral (SB) and irregular galaxies (I) from: G. de Vaucouleurs, Classification and Morphology of External Galaxies, Handbuch der Physik, 1959, Vol. 53, pp. 275-310 http://nedwww.ipac.caltech.edu/level5/Dev/frames.html E sub-types: E0 – E7, n = 10(1 – b/a) S and SB sub-types: Sa, Sb, Sc and SBa, SBb, SBc The de Vaucouleurs classification (1959, 1964) - classes E, S0, S, Im - families A, AB, B - varieties s, rs, r from: G. de Vaucouleurs, Classification and Morphology of External Galaxies, Handbuch der Physik, 1959, Vol. 53, pp. 275-310 http://nedwww.ipac.caltech.edu/level5/Dev/frames.html De Vaucouleurs (1959) from: G. de Vaucouleurs, Classification and Morphology of External Galaxies, Handbuch der Physik, 1959, Vol. 53, pp. 275-310 http://nedwww.ipac.caltech.edu/level5/Dev/frames.html Bulges M 104 SA(s)a NGC 4565 SA(s)b? (zdroj: Binney & Merrifield, Galactic Astronomy, kapitola IV) B/D – bulge-to-disk ratio B/T = B/(B+D) – bulge-tototal luminosity ratio SA(s)a SA(s)b? Bars (příčky) > 2/3 diskových galaxií mají příčku viditelnou v optickém oboru typ SA: galaxie bez příčky ~1/3 typ SAB: galaxie se ,,slabou” příčkou ~1/3 typ SB: galaxie se ,,silnou” příčkou ~1/3 v blízké infračervené oblasti je frekvence příček > 80% SAB(s)c SAB(rs)cd SB(r'l)b Dvojpříčky (double bars, bars-in-bars)Dvojpříčky (double bars, bars-in-bars) Nukleární příčky (nuclear bars, baby bars)Nukleární příčky (nuclear bars, baby bars) Double bar in NGC 1433Double bar in NGC 1433 (R'(R'11 SB(rs)ab)SB(rs)ab) ((B bandB band, Buta & Combes 1996) (, Buta & Combes 1996) (H bandH band, JCA, 1997), JCA, 1997) Prstence (rings)Prstence (rings) aa pseudo-prstencepseudo-prstence (pseudo-rings)(pseudo-rings) v diskových galaxiíchv diskových galaxiích označení:označení: prstenceprstence pseudo-prstencepseudo-prstence - vnější (outer):- vnější (outer): R, RR, R11, R, R22 R', R'R', R'11, R', R'22 - vnitřní (inner):- vnitřní (inner): rr rsrs (nebo(nebo r'r')) - nukleární:- nukleární: nrnr nr'nr' Příklady vnějších a vnitřníchPříklady vnějších a vnitřních prstencůprstenců NGC 7020 (Buta & Combes 1996) (R)SA(r)0+ (R'(R'11)SB(r)ab)SB(r)ab (Sy)(Sy) (R'(R'22)SAB(r)b)SAB(r)b Nukleární prstenec v NGC 1097 SB(r'l,nr)b Nukleární spirályNukleární spirály NGC 1365, SB(s)bNGC 1365, SB(s)b optical imageoptical image near-IR image (H-band)near-IR image (H-band) (different scale; from JCA, 1997) Frekvence typů (tříd) a podtypů galaxií: Hubble (1926) Type: E Sa/SBa Sb/SBb Sc/SBc I 17% 19% 25% 36% 2.5% Shapley and Ames (1926) – Coma-Virgo region E S I 47% 48% 5% -> environmental dependence de Vaucouleurs (1959) Frequency of revised types: Type: E S0 SA SB I Pec 23% 21% 24% 26% 3.4% 1.5% Frequency (%) of subdivisions: Type: E E/S0 S0 S0/a Sa Sab Sb Sbc Sc Scd Sd Sm 22 9.5 10.5 9 4.5 6.5 7.5 7.5 10.5 8.5 2.0 2.0% Credit: M81: Stefan Seip/Adam Block/NOAO/AURA/NSF, http://www.noao.edu/outreach/aop/observers/m81.html NGC 2841: Peter Kukol/Adam Block/NOAO/AURA/NSF, http://www.noao.edu/outreach/aop/observers/n2841.html Grand-design spirals vs. flocculent (stochastic) spirals M 81 SA(s)ab NGC 2841 SA(r)b Credit: NGC 7217 and M 101: Adam Block/NOAO/AURA/NSF NGC 488: Tony Kriz/Adam Block/NOAO/AURA/NSF NGC 7217 SAab NGC 488 SA(r)b M 101 SAB(rs)cd Multispectral Image Collection of M81 Credit: SIRTF, http://coolcosmos.ipac.caltech.edu/cosmic_classroom/multiwavelength_astronomy/multiwavelength_museum/m81.html Credit: X-ray: NASA/CXC/A. Zezas et al.; Optical: Pal.Obs. DSS M 87 E0 NGC 4261 E2-3 Binney & Merrifield, Galactic Astronomy Surface brightness profiles 1) Elliptical galaxies de Vaucouleurs profile (1948), R1/4 -law Zdroj: Binney & Merrifield, Galactic Astronomy Diffuse dwarf elliptical galaxies: exponential profiles Zdroj: Binney & Merrifield, Galactic Astronomy cD galaxies Zdroj: Binney & Merrifield, Galactic Astronomy Other profiles for ellipticals - Hubble (or Hubble-Reynolds) profile (1913) - modified Hubble profile ... - Sersić profile (1968) Zdroj: Binney & Merrifield, Galactic Astronomy 2) Lenticular and spiral galaxies bulge + exponential disk (Freeman, 1970) Zdroj: Binney & Merrifield, Galactic Astronomy From 2D to 3D: from surface brightness to volume density Zdroj: Binney & Merrifield, Galactic Astronomy Example: modified Hubble profile Zdroj: Binney & Merrifield, Galactic Astronomy KAPITOLA IIKAPITOLA II Gravitační pole, Poissonova rovniceGravitační pole, Poissonova rovnice Jednoduché modely galaxií:Jednoduché modely galaxií: dvojice potenciál-hustota, kruhová rychlost-dvojice potenciál-hustota, kruhová rychlostrotační křivka, úniková rychlostrotační křivka, úniková rychlost a) sféricky symetrické systémya) sféricky symetrické systémy (logaritmický potenciál, Plummerova sféra,(logaritmický potenciál, Plummerova sféra, modifikovaný Hubbleův profil, homogennímodifikovaný Hubbleův profil, homogenní sféra, singulární izotermální sférasféra, singulární izotermální sféra b) osově symetrické diskyb) osově symetrické disky Toomre-Kuzmin, Mestel, Miyamoto-Nagai,Toomre-Kuzmin, Mestel, Miyamoto-Nagai, exponenciální diskexponenciální disk Gravitační pole, Poissonova rovniceGravitační pole, Poissonova rovnice Dvojice potenciál-hustota: jednoduchéDvojice potenciál-hustota: jednoduché modely galaxiímodely galaxií a) sféricky symetrické systémya) sféricky symetrické systémy (Logaritmický potenciál, Plummerova sféra,(Logaritmický potenciál, Plummerova sféra, modifikovaný Hubbleův profil, homogennímodifikovaný Hubbleův profil, homogenní sféra, singulární izotermální sférasféra, singulární izotermální sféra b) osově symetrické diskyb) osově symetrické disky Toomre-Kuzmin, Mestel, Miyamoto-Nagai,Toomre-Kuzmin, Mestel, Miyamoto-Nagai, exponenciální diskexponenciální disk Kruhová a úniková rychlostKruhová a úniková rychlost Poisson equation, potential-density pairs Zdroj: Binney & Tremaine, Galactic Dynamics Spherical systems Newton's first theorem A body that is inside a spherical shell of matter experiences no net gravitational force from that shell. Newton's second theorem The gravitational force on a body that lies outside a spherical shell of matter is the same as it would be if all the shell's matter were concentrated into a point at its center. Zdroj: Binney & Tremaine, Galactic Dynamics Zdroj: Binney & Tremaine, Galactic Dynamics Homogeneous sphere, dynamical time Zdroj: Binney & Tremaine, Galactic Dynamics Simple potentials for galaxies - Plummer potential (1911) - Toomre-Kuzmin potential (1956, 1962) - Miyamoto-Nagai (1975) potential Zdroj: Binney & Tremaine, Galactic Dynamics Zdroj: Binney & Tremaine, Galactic Dynamics Rotation curves of spiral galaxies Zdroj: Binney & Tremaine, Galactic Dynamics Milgrom, 2009 Sanders 2008 Sanders 2008 Logarithmic potential Zdroj: Binney & Tremaine, Galactic Dynamics Epicyclic approximation for Keplerian orbits from Binney and Tremaine 1987 Zdroj: Binney & Tremaine, Galactic Dynamics Zdroj: Binney & Tremaine, Galactic Dynamics Zdroj: Binney & Tremaine, Galactic Dynamics Zdroj: Binney & Tremaine, Galactic Dynamics Buta & Combes 1996 Orbits in axisymmetric and barred potentials Stars Gas Gas (from Combes 2003) Zdroj: Binney & Tremaine, Galactic Dynamics