Der Andromeda-Nebel,

eine ganz normale Spiralgalaxie?

Astronomievereinigung Rottweil Herbert Haupt

August 2012 AVR / IAS

Andromeda-Galaxie M31 mit M32 und M110

Peter Knappert AVR

Sie sieht doch eigentlich

ganz friedlich aus!

Der Anlass für die Recherche von HG Diederich:

das Foto von Gerhard Neininger AVR

HGD: „Der Bulge ist etwas kastenförmig!“

Inhalt

1. Einführung: die Andromeda-Galaxie

2. Der Lindblad-Twist

3. Der Kernbereich

4. Die „bewegte“ Scheibe/Spirale

5. Die seltsamen Sternhaufen

6. Die Begleiter, oder was davon blieb

7. Zusammenfassung und Vergleich

mit der Milchstraße

8. Literatur und Links

1. Einführung:

Die Andromeda-Galaxie

Die Andromeda-Galaxie das fernste, mit freiem Auge sichtbare Objekt (3.5mag)

Die Lokale Gruppe

Die großen Galaxien:

- Milchstrasse

- Andromeda-Galaxie

- Dreiecks-Galaxie

Die Andromeda-Galaxie: Historie

• 964: Al-Sufi – erste Beobachtung des „Nebelfleckchens“

• 1612: Simon Marius – Wiederentdeckung (mit Teleskop)

• 1864: William Huggins – „Spektrallinien sind verwischt“,

M31 ist also andere Art als Gasnebel stellare Natur

• 1885: Ernst Hartwig beobachtet bisher einzige (Super)nova;

nicht ernst genommen, da Distanz zu M31 unterschätzt

• 1887: Isaac Roberts – erstes Foto: Spiralstruktur (aber noch als

Teil unserer Milchstraße angesehen)

• 1912: Vesto Slipher (mit Spektroskopie) – M31 kommt mit

300 km/s auf uns zu

• 1917: Heber Curtis – Novae in M31 um 10 mag schwächer,

M31 ist unabhängige Welteninsel außerhalb der Milchstraße

1887: Erstes Foto der Andromeda-Galaxie I. Roberts

Der Andromeda-Nebel rückt immer weiter weg

• Vor 1785: „kleiner Nebel“, nicht allzu weit entfernt

• 1785: William Herschel: Entfernung < 2000x die zum Sirius

• 1917: Heber Curtis: 500.000 LJ, da Novae 10mag schwächer

M31 außerhalb der Milchstraße!

• 1922: Ernst Öpik: 450 kpc ≈ 1,5 Mio LJ

• 1925: Edwin Hubble: Einzelsterne im Außenbereich aufgelöst,

Cepheiden („falsche Art“) 0,8 Mio LJ

• 1943; Walter Baade: rötliche Sterne im Zentrum aufgelöst

Sternpopulationen I und II zwei Arten von Cepheiden

Distanz (zu Hubble) verdoppelt auch Weltall größer

• heute: 2,54 Mio LJ (nach vier Methoden bestimmt)

2. Der Lindblad-Twist

und andere Verdrehungen

Hans-Günter Diederich:

„Die 3 Geheimnisse der Andromeda-Galaxie“

Neigung der Galaxien-Scheibe gegen die Sichtlinie: 12,5°

M31

Innenbereich

2MASS =

Two Micron

All Sky Survey

HG Diederich: Analyse der Verdrehung

zwischen innerer und äußerer Scheibe

Kastenartige (boxy) Struktur des zentralen

Bauches (bulge) der Andromeda-Galaxie HGD

Unterschiedlich

gestreckte

Aufnahme von

Nukleus und Bulge

Isophoten-Darstellung zu oben:

• kreisförmiger Nukleus

• nach außen zunehmend

kastenförmig mit Änderung

des Positionswinkels

Balken-Galaxie

Formen von Elliptischen Galaxien(-Bulges) JV. Feitzinger

E-Systeme mit Absoluthelligkeit > -21 Größenklassen zeigen eine

kastenartige Helligkeitsverteilung, weniger helle eine scheibenartige.

Scheibe: Kasten = dreiachsiges Rotationsellipsoid:

ngc4660 ngc4365

Der Warp von Andromeda

Ph. Choi, P. Guhathakurta, UCSC 2001

Extremer Warp in der äußeren Spiralenscheibe:

„vermutlich infolge von Wechselwirkungen mit Begleitgalaxien

oder Trümmern von früheren Verschmelzungen mit anderen Galaxien“

ngc7331 Mischa Schirmer IAS

Die innere Scheibe ist gegenüber der äußeren gekippt

(Bertil) Lindblad Resonance:

A gravitational resonance (hypothesized to explain the

existance of galactic spiral arms) which occurs when the

frequency at which the star encounters the galactic spiral

wave is a multiple of its ecliptic frequency

Per Olof Lindblad:

The simulations demonstrate the role of the bar and the

importance of resonances between the bar rotation and

the rotation of the galaxy for the formation of the spiral

structure

I. I. Pasha: Lindblad´s bar-spiral density theory

Dichte-Variationen und absolute

Dichtewerte in der Scheibe

führen zur Entstehung eines

Balkens, sowie zu dessen

„starrer“ Rotation bei bestimmten

Resonanzbedingungen zwischen

den Sternbewegungen im Balken

und der Scheibenspirale.

Die Sternbahnen im Balken sind

sehr kompliziert und speziell

keine geschlossenen Ellipsen.

Lindblad-Verdrehung

Innerer Scheibenbereich ist gegenüber äußerem gekippt

Mögliche Ursachen:

• Folge der Kinematik in der Scheibe (Balken und Spirale)

• Wechselwirkung mit nahegelegenen Galaxien

(M32, M33, Milchstraße, ... )

„M33 responsible for some warp in M31´s arms?“

• Hochgeschwindigkeitswolken, die von außen in die

Galaxie mit hohem Drehmoment einfallen

• kannibalisierte Begleitgalaxien

• gegeneinander verdrehte Achsen der Rotationsellipsoide

von sichtbarer und dunkler Materie

3. Der Kernbereich

Staub in Andromeda B. Groves et al. 07.2011

Emissionswellenlängen des Staubes:

- blau: PACS 70 μm, - grün: PACS 100 μm, - rot: SPIRE 250 μm

Anstieg der Staub-Temperatur zum Zentrum hin!

Staubtemperaturen im Zentrum von M31 Brent Groves et al. 07-2012

Sofue et al. 1993: „Face-on“ Minibalken im

R-Band, zentrale Region (Seite = 900 LJ)

Linienabstand ist 0,021 mag

Minispirale stark aus Galaxien-Ebene

herausgedreht, daher beinahe in Aufsicht

Gas (HI/H2) abgezogen aus M32 und M110?

Innerer Balken und Dunkelwolken im Zentrum

der Andromeda-Galaxie HG Diederich

Ngc1097 in FOR ESO 10-2005

Zentralbereich Ø ~5000 LJ

Schwarzes Loch im Kern

~ 100 Mio Sonnenmassen

„auf Diät“

Innenbereich der Galaxie ngc1097 ESO

im nahen Infrarot „The dusty path to doom“

Zentrale Spiralarme

und Sternentstehungs-Ring

In Ellipse: Sternlicht unterdrückt

zentrale Spiralarme als dunkle Kanäle

Viele Balkenspiralen sind aktiv, vermutlich wegen Gas, das entlang

der Arme in den Kern spiralt

35 Lichtjahre

M 31

Hubble-Blick

ins Zentrum,

im Optischen

12.01.2012

alte rötliche

und junge blaue

(< 200 Mio J)

Sterne ums

Schwarze Loch

Zentrum der Andromeda-

Galaxie (1)

„Doppel“-Kern mit 5 LJ Distanz:

nur ein Schwarzes Loch mit >2•107!

Sonnenmassen im lichtschwächeren

Teil = galaktisches Zentrum

Hellerer Teil:

- wegen geringerer Abschattung?

- wegen längerer Verweildauer der

Sterne bei exzentrischem Lauf

ums Schwarze Loch?

Zentrum der Andromeda-Galaxie (2)

Über 400 junge, blaue

Sterne umkreisen das

Schwarze Loch in

einer Scheibe mit nur

1 LJ Durchmesser,

mit 1000 km/s,

Umlaufdauer ~100 J

Außen herum: Ring

aus alten, rötlichen

Sternen

Andromeda-Galaxie: Zoom-in

Milchstraße: Bewegung massereicher

Sterne um das Schwarze Loch

Stern S2 (am nächsten

zum Schwarzen Loch):

- große Halbachse ~9 LT

- Umlaufdauer ~15 Jahre

- max. Geschw. ~4000 km/s

Kreuz = schwarzes Loch

im Zentrum

MPIA 1992-2006:

Aufnahmen im Infraroten

Andromedas

Sternwind MPIA

ionisiertes Gas (~ 4Mio K)

im Röntgenlicht:

wenige Mio Ms, davon

strömen pro Jahr 0,1 Ms ab,

parallel kleiner Halbachse!

Quelle von Masse

und Energie:

Supernovae 1A und

entwickelte Sterne

(links unten, ~2kLJ)

4. Die „bewegte“ Scheibe

bei verschiedenen Wellenlängen

M31, M32 und M110 im Sichtbaren Tony Hallas

Staubbänder verdeutlicht; Sternströme von M32 und M110 sichtbar

Die Andromeda-Galaxie im UV-Licht (Galex)

Das UV-Bild zeigt einen 150 kLJ weiten Ring von jungen,

heißen, blauen Sternen, der Andromedas zentralen Bauch

umgibt

Die Andromeda-Galaxie im Infraroten

(WISE-Teleskop)

blau: 3,4/4,6 μm eher alte Sterne

grün: 12 μm

rötlich: 22 μm durch neue/massereiche Sterne aufgeheizter Staub

Pauline Barmby /David Block: 2. Ring (innen): eine Gas-/Staubwolke,

die nach Aufprall von M32 vor 210 Mio Jahren entstand

Andromeda-Galaxie: Zusammenfassung

in Falschfarben blau: junge, heiße Sterne großer Masse

grün: ältere Sterne

gelbes Zentrum: dichte Population alter Sterne

rot: kalte Staub-Regionen mit entstehenden Sternen,

die noch in ihrer Gas-/Staubwolke vergraben sind

lila: junge und alte Sterne in Koexistenz

Innen- und Außenring: „Wasserwellen“ nach zentralem Durchstoß

von M32 vor ca. 210 Mio Jahren?

Loch im Außenring: nach Durchstoß von M 32 durch Andromeda?

Struktur der Andromeda-Galaxie im Infraroten Spitzer-Teleskop Pauline Barmby

Helle Bereiche: Staubfilamente mit Sternbildung im Innern,

erscheinen im Sichtbaren als dunkle Bänder

Abstand der Zentren von Galaxie und äußerem Ring: ~ 5 kLJ!

Simulation des Durchstoßes von M32 David Block, RSA

Ring aus jungen Sternen (30 kLJ Ø,

Zentrum versetzt um 4 kLJ gegen Gx)

und 4,5 kLJ großer elliptischer

Staubring, um 1,5 kLJ versetzt:

werden für nahezu frontale Kollision

durch Simulation bestätigt!!

Interpretation der Ringe:

Dichtewellen, die langsam nach

außen wandern

Auch das Loch im äußeren Ring

taucht als Überlagerung der

Spiralarme mit der Dichtewelle auf!

M32 schrumpfte beim Durchstoß von

1/10 auf 1/23 der Masse von M31!!

heute

Andromeda-Galaxie im Licht der 21 cm-Linie

des neutralen Wasserstoffs

• Maßstab gegenüber Vorbildern im Verhältnis 2:3 verkleinert

• Durchmesser ≈ 5°, entsprechend 220.000 LJ H-Wolke gering

im Vergleich zur Milchstraße und ähnlichen Spiralen

L. Chemin et al.

= 82 kLJ

1

2

3

4

Rotationsgeschwindigkeit über dem Radius

v(r) = (G·M(r)/r)1/2

1: Schwarzes Loch (~100 Mio Ms) und hohe Sterndichte in Kern

2: Kepler-Abfall zu 1.

3: Hohe Sterndichte in Spiralarmen / Ringen und Dunkle Materie

4: Plateau durch Dunkle Materie: M(r) ~ r

Die Andromeda-Galaxie bei der 21 cm-Linie

Die rotierenden Wolken des neutralen Wasserstoffs kommen rechts

auf uns zu, links gehen sie von uns weg. ∅ ≈ 220 kLJ

Der Dopplerverschiebung ist die Relativbewegung von ~ 300km/s

auf uns (Sonne) zu überlagert.

L. Chemin et al.

Molekulares Gas (CO): Geschwindigsverteilung Ch. Nieten et al.

CO als Begleitgas von molekularem H2 ist nur noch auf die

ringförmigen Strukturen begrenzt, wo „heute“ im Wesentlichen

Sterne entstehen. Atomares H ist gleichmäßiger verteilt.

Ultrahelle Röntenquellen in M 31 Chandra 2012

ULX-2

ULX-1

Kernregion

Die ULXs sind wohl stellare Schwarze Löcher; ULX-1 mit 13 Ms

Das Spektrum und das Helligkeitsabklingen sprechen für Röntgen-

Doppelsterne

ULX-1

ULX-2

Stellares Schwarzes Loch

mit > 13 Ms, das gerade

viel Materie schluckt,

wenige LJ vom Zentrum

ULX-1

5. Andromedas (seltsame) Sternhaufen

Sternentstehungsgebiet NGC 206 in M 31

Sehr massereicher

offener Sternhaufen:

Eines der größten

Sternentstehungsgebiete

in der lokalen Gruppe:

„Untersuchungs-Labor

für Sternentwicklung und

Entfernungsbestimmung“

Andromedas seltsame Sternhaufen

• weit weg von M31, bis zu 500 kLJ

• ähnlich Kugelsternhaufen, aber viel

ausgedehnter, nur 1/1000 Dichte

• kein Analogon sonst bekannt

M 31 hat ~ 3x so viele Kugelsternhaufen (4-500) wie die Milchstraße,

davon fallen einige aus der Reihe. Sie sind:

Riesenkugelhaufen G1 = Mayall II

Mayall II = G1 (Globular 1)

größter? Kugelhaufen in der Lokalen Gruppe

kompakter Satellit

von Andromeda,

umkreist M31 in

130 kLJ Abstand

~10.000.000 Sterne

(doppelte Masse von

Omega Centauri)

in ~ 43 LJ Ø

Schwarzes Loch mit

20.000 Ms im Kern

Kugelhaufen oder

Rest eines Begleiters?

6. Die Begleiter,

oder was davon blieb

Andromedas Satelliten-Galaxien:

Ungewöhnliche Anordnung

• 9 der 14 Zwerggalaxie-Satelliten liegen in einer Ebene

senkrecht zu der von Andromeda und durch deren Zentrum

• Sie enthalten etwa 80% der Masse der Satelliten-Galaxien

• Die Ebene ist etwa 50 kLJ weit

• Bisher keine schlüssige Erklärung. Denkbar:

- Kannibalismus einer großen Begleitgalaxie vor langer Zeit?

Deren Reste kreisen noch um Andromeda

- Einbettung in Dunkle-Materie-Strom zwischen M33

(0,7 Mio LJ) und M81 (11 Mio LJ)?

• Allgemein üblich? Auch die Milchstraßen-Satelliten liegen

meist in zwei Ebenen, aber weniger ausgeprägt

PAndAS-Durchmusterung von M31 und M33 Alan McConnachie

Schwache Sternhalos

dehnen sich bis zu

500 kLJ um M31 und

150 kLJ um M33 aus

>300.000 Sterne,

6..13 Mrd Jahre alt

Dazu mehrere stärkere

Sternströme im Umfeld

der Galaxien

Die Sternhalos stammen

überwiegend von M33

Bahn von M33 um die Andromeda-Galaxie Simulation von A. McConnachie

Blickrichtung von der Erde Blick auf die Bahnebene

• größte Annäherung vor 2,6 Mrd. Jahren mit 130 kLJ

• größte Entfernung vor 0,9 Mrd. Jahren mit 860 kLJ

• heute: 700 kLJ

Dreiecks-Galaxie M33

vor (oben) und nach (darunter)

dem Vorbeiflug an Andromeda

• rechts: Daten aus PAndAS-Projekt

• links: Simulation vor/nach Vorbeiflug

• unten: Seitenansicht (heute)

Es wurden sowohl die Außenbereiche in

der Scheibe gegen den inneren Teil

verdreht, und die äußeren Teile von der

Scheibe weggebogen (Warp; infolge

Verkippung der Achsen der

Rotationsellipsen von baryonischer und

dunkler Materie gegeneinander?)

7. Zusammenfassung und

Vergleich mit der Milchstraße

Zusammenfassung

und Vergleich mit der Milchstraße

Andromeda Milchstraße

• Durchmesser (optisch) kLJ 200 100

• Durchmesser des Sternhalos kLJ 1000 < 200

• Sternzahl 1000 • 109 300 • 109

• Masse in Ms 1-1,2 • 1012 1-1,9 • 1012

(Die Milchstraße hat einen viel größeren und massereicheren Halo

aus Dunkler Materie)

• Masse des Schwarzen Lochs 20 100 • 106 4 • 106

• Leuchtkraft in Ls 4 • 109 10 • 109

• Zentraler Bauch triaxial kugelförmig 16kLJ

Achtung: Die Daten unterliegen häufigen Revisionen!

Zusammenfassung

und Vergleich mit der Milchstraße

• Struktur der Andromeda-Galaxie: stark gestörte Balken-Spirale

TypSA(s)b LINER (oder Typ SB..?)

• Bei der Andromeda-Galaxie lassen sich mindestens vier

gegeneinander verdrehte Bereiche unterscheiden:

- der Kernbereich bis ~ 500 LJ in nahezu Aufsicht-Lage mit

massivem Schwarzem Loch, umgebenden Sternhaufen und Mini-

Spirale

- der triaxiale Bulge (~12x8x4 kLJ) mit Verlängerung als

dünnem Balken (~ 1,4x Bulgelänge)

- die innere Scheibe bis zum Ring mit Spiralenansatz

- die äußere Scheibe mit der eher schwach ausgebildeten Spiralen

bis zum äußeren Ring

• Außerhalb weitere schwache Spiral/Ringstrukturen und der extrem

ausgedehnte Halo bis 500 kLJ

Zusammenfassung

und Vergleich mit der Milchstraße

Alle diese verdrehten, verbogenen, ringförmigen

Strukturen sind die Folge heftiger gravitativer

Wechselwirkungen mit den größeren Begleitgalaxien

und mit Zwerggalaxien, die dabei stark zerrupft und in

Teilen von Andromeda einverleibt wurden.

Derartige Wechselwirkungen waren und sind auch bei

der Milchstraße vorhanden, aber in viel geringerem

Ausmaß.

Daher ist deren Spiralstruktur noch weitgehend intakt.

Die Milchstraße

Wenig gestörte

Balken-Spirale, Typ SBc:

im Wesentlichen zweiarmig

mit Nebenarmen

Balkenlänge ~27 kLJ

Zusammenfassung

und Vergleich mit der Milchstraße

Die Andromeda-Galaxie kannibalisiert alles um sich

herum und wird dabei selber kräftig durchgeschüttelt.

Jetzt kommt sie mit 114 km/s auf die Milchstraße zu und

wird mit ihr verschmelzen oder bei nahem Vorbeiflug

mit ihr zumindest heftig wechselwirken.

Aber: bis dahin haben wir ja noch etwas Zeit!!

Kollision mit Andromeda jetzt gewiss!! Seitliche Orbital-

Bewegung um

17 km/s!

links: heute

rechts: in 2 Mrd. J

darunter: in

3,8 - 4 Mrd. Jahren

Die beiden

Galaxien werden

verformt, zerrissen

und zur elliptischen

Gx umgebildet!!

Literatur (1)

• HG Diederich: Die drei Geheimnisse der Andromeda-Galaxie

J. für Astronomie IV/2009, S. 30-32

• B. Lindblad: On a barred spiral structure in the Andromeda

Nebula, Stockholm Obs. Ann. 19,2 (1956)

• S. Berman: Hydrodynamic simulations of the triaxial bulge

of M31, arXiv:astro-ph/0103209v1 14 Mar 2001

• Y. Sofue et al.: Face-on barred spiral structure of molecular clouds

in M31´s bulge, arXiv:astro-ph/9309047v1 29 Sep 1993

• L. Chemin et al.: HI kinematics and dynamics of Messier 31

arXiv:0909.3486v1 [astro-ph.CO] 21 Sep 2009

• R. L. Beaton et al.: Unveiling the boxy bulge and bar of the

Andromeda spiral galaxy, ApJ 658, L91-94 (1. April 2007)

• Guido Thimm: Andromeda ist schuld, SuW Jan. 2010, S. 29-31

• St. Deiters: astronews.com, 2006 „Frontalzusammenstoß mit M32“

• J. V. Feitzinger: Galaxien und Kosmologie, Kosmos-Verlag 2007

• F. Hammer: Observatoire de Paris, Communique 24-11-2010

• D.L. Block et al: An almoust head-on collision as the origin of two

off-center rings in the Andromeda galaxy, Nature 443, 832(2006)

• B. Groves et al: The heating of dust by old stellar populations in the

bulge of M 31: arXiv: 1206.2925v1 [astro-ph.CO] 13. Juni 2012

Literatur (2)

Literatur (3, Links)

• www.black-forest-astrophotography.de (Peter Knappert)

• www.astronomie-rw.de/inhalt/neininger/neininger.html

• www.solstation.com/x-objects/andromeda.htm

• www.mpa-garching.de/mpa/research/current_researchhl2008-8/...

• www.absoluteastronomy.com/topics/Andromeda_Galaxy

• www.abenteuer-universum.de/galaxien/andro.html

• www.spaceflightnow.com/news/n0606/05andromeda

NASA/JPL release 05.06.2006 (Spitzer)

• www.cfa.harvard.edu/image_archive/2006/40/lores.jpg

• www.space.com/scienceastronomy/060123_andromeda_plane.htm