Struktura a kinematika galaxií (F7567)Struktura a kinematika galaxií (F7567)
Dynamika a vývoj galaxií (F8567)Dynamika a vývoj galaxií (F8567)
Bruno JungwiertBruno Jungwiert
Astronomický ústav AV ČR, v.v.i.Astronomický ústav AV ČR, v.v.i.
F7567/F8567, PřF MU Brno, 2018/2019
Hvězdná noc, 1889
bruno.jungwiert@ig.cas.cz
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, spirálníspirální
ramena, příčky, hvězdokupyramena, 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, prstence,I.2. Bulge, příčky, dvojpříčky, prstence,
nukleární spirálynukleární spirály
I.3. Radiální profily plošné jasnostiI.3. Radiální profily plošné jasnosti
(Hubble-Reynolds,(Hubble-Reynolds,
modifikovaný Hubbleův profil,modifikovaný Hubbleův profil,
de Vaucouleurs, Sérsic, Freeman)de Vaucouleurs, Sérsic, Freeman)
Obrázky a vzorce, u nichž není uveden zdroj, jsou převzaty
z učebnice Galactic Dynamic (Binney & Tremaine 1987)
Leviathan Telescope (1,8m-mirror),Leviathan Telescope (1,8m-mirror),
Parsonstown, Ireland (1845):Parsonstown, Ireland (1845):
spiral nebulae discoveredspiral nebulae discovered
by lord Rosseby lord Rosse
source: Telescopes.stardate.org, webpage: stardate-Leviatardate-Levia
Are these major starburst episodes connected to merger events?
OX 169
PKS 0736+201PHL 909
William Parsons (Lord Rosse):
M51 (1846)
M99 (1848)
(H. Frommert, C. Kronberg, 2000)
But the true nature of spiral nebulae, now called
spiral galaxies (large systems composed of stars
and lying outside our own Galaxy, as independent
stellar islands), remains unknown until 1924.
http://messier.seds.org/more/m051_rosse.html
http://messier.seds.org/more/m099_rosse.html
left:
Rosse's drawing (1846) the
first “spiral nebula”
right:
a modern photo of the
same galaxy (called
M51 or “Whirlpool Galaxy”
(see also its HST image –
2 slides back)
1924, Galaxies and the ,,Great Debate”
1925, The Hubble Sequence (The Hubble classification of galaxies)
Edwin P. Hubble, Mt. Wilson, California
elliptical galaxies (E), lenticular galaxies (S0),
normal spirals (S), barred spirals (SB),
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. Hubble, The Realm of the Nebulae
Edwin P. Hubble (1889 - 1953)
Classification of galaxies (1925)
Measuring speeds of galaxies → expansion of the Universe discovered (1929)
Images: https://en.wikipedia.org/wiki/File:HubbleTuningFork.jpg, https://en.wikipedia.org/wiki/File:Edwin-hubble.jpg
Hooker telescope (100-inch mirror)
Mt. Wilson, California
Fundamental discoveries:
- nature of spiral nebulae: galaxies
- speeds of galaxies: expansion of the Universe
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
elliptical galaxies,
normal spiral galaxies,
barred spiral galaxies
face-on views
edge-views
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-to-total
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
Surface brightness profiles (profily plošné jasnosti)
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: slide 32
- Sersic 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