Folien

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6. Planetenentstehung und
Extrasolare Planeten
• Fundamentale Fragen unseres Weltbildes und
der Astronomie
– Sind wir allein im Universum?
– Ist unser Planetensystem einmalig?
•
Suche nach extrasolaren Planeten:
–
–
–
–
Beobachtungstechnische Herausforderung
1995: Mayor & Queloz: 1. Exoplanet um 51 Peg
Allgemeine Fragen zur Planetenentstehung
Verbreiterung des Wissens: Massen, erd- oder
jupiterähnliche Planeten, Abstände, Bahnen,
Zusammenhänge mit dem Zentralstern
6. Exoplaneten
Folie 1
Schema zur Planetenentstehung
Interstellare Wolken:
Fragmentation und Kollaps
Drehimpulstransport
Protostern mit
Akkretionsscheibe
Bildung von Planetesimalen,
Gasakkretion der Planeten
6. Exoplaneten
105 M~ → 1 M~
Magnetische Bremsung
Sedimentation,
Sternbildung
Planetenbildung und –
wachstum in der Scheibe
Folie 2
Interstellare Wolken (ISW)
VLT: M16, pillar 4, IR-Aufnahme
6. Exoplaneten
• ISW sind Orte der
Sternentstehung, da höhere
Dichten und geringere
Temperaturen die Jeans-Masse
verkleinern
• ISW zeigen komplexe Chemie,
kühlste Anteile des ISM
• Großteil der Masse des ISM
• Zahlreiche WW im galaktischen
Potential, Lebensdauer ∼108
Jahre
• Struktur beeinflusst durch
Ionisations- und Stoßfronten
• Abschirmung von stellaren
Strahlungsfeldern wichtig
Folie 3
Blick in eine Sternentstehungsregion
HST: Proplyds im Orion
6. Exoplaneten
• Orion-Nebel, nächste Sternentstehungsregion in d=480pc
• Etwa 200 junge Sterne mit
unterschiedlichen Massen
• Hohe UV-Flüsse zur
Photoionisation der gesamten
Wolke
• Akkretions- und Staubscheiben
um mehr als 50% der jungen
Sterne direkt nachweisbar
• Rund 500 IR-Quellen entdeckt,
frei fliegende Braune Zwerge oder
Planeten im IR?
Folie 4
Beobachtete Staubscheiben
HST: β Pic
HST: HD141569
6. Exoplaneten
• Direkte Beobachtungen um die
Sterne: β Pictoris, α Lyrae, α
Piscis Austrini, ε Eridani, …
• Ausdehnung: 20 – 1000 AU
• Lücken in den Staubscheiben
durch Wechselwirkung mit
Planeten
• Asymmetrien in der Scheibe
durch vorbeiziehende Sterne,
z.B. β Pic
• Zeitlich begrenztes Phänomen
aus statistischen Argumenten
• Alter des Systems um
HD141569: 5 Millionen Jahre
Folie 5
Sedimentation der Staubteilchen
Jahre
nach Nakagawa et al. 1981
6. Exoplaneten
• Strömung des Gases zum
Äquator
• Kaum Wechselwirkung der
Staubteilchen untereinander
• Staubteilchen sinken rasch
(∼1000 Jahre) zur Äquatorebene
• Wachstum in der Scheibe durch
Koagulation und Kondensation
• Zusätzlicher Effekt infolge
radialer Drift
• Große Teilchen wachsen auf
Kosten der kleinen Teilchen
• Z.B.: 18 cm bei Erd-, 5 cm bei
Jupiter- und 0.5 cm bei
Neptunabstand
Folie 6
Wachstum der Staubteilchen
• Temperaturgradient von
innen nach außen
abnehmend
• Turbulenz bewirkt Mischen
des Staubes und des Gases
• Verdampfung von Staubpartikeln und Kondensation
auf Staubteilchen wechseln
sich ab
• Entscheidende Rolle der
Turbulenz
• Turbulenz in der Scheibe
führt zu
Relativgeschwindigkeiten
nach Morfill et al. 1985
6. Exoplaneten
Folie 7
Bildung von Planetesimalen
• Gravitative Wechselwirkungen bei kmgroßen Brocken
• Reibung mit dem Gas in der Scheibe
führt zu eher kreisförmigen Bahnen
• Weniger Kollisionen mit hohen Relativgeschwindigkeiten
• Zahlreiche Kollisionen durch gravitative
Fokussierung der Bahnen
• Erhöhung des geometrischen Wirkungsquerschnitts, sog. Safronov-Parameter θ
• Theoretische, quantitative Beschreibung
mangelhaft (Rolle des Gases, Streuung
der Planetesimale, Strömungsprofile um
Körper)
6. Exoplaneten
Folie 8
Wachstum von Planetenkernen
• Gravitatives Wachsen durch Akkretion
von Planetesimalen (bis etwa 10
Erdmassen)
• Bildung erdähnlicher Planeten
• Dissipation der kinetischen Energie
führt zu Akkretionsleuchtkraft Lakk,
Rolle der Atmosphäre
• Veränderliche Randbedingungen
• Entwicklung des Gasnebels und des
Zentralsterns während der WachstumsPhase der Planeten
• Entwicklung der PlanetesimalenPopulation
6. Exoplaneten
Folie 9
Entstehung von Gasplaneten I
Gasdichte in Jupiterumgebung, sog. HillSphäre (ovaler Bereich), nach Kley (2001)
6. Exoplaneten
• Zwei Theorien im Widerstreit:
• Kerninduziertes Wachstum vs.
direkter Kollaps in der Scheibe
• Nucleated instability, ab etwa 10
Erdmassen (aus Planetesimalen)
kann der Protoplanet Gas aus der
Umgebung akkretieren
• Rasches Anwachsen seiner Masse
• Gasakkretion von der Temperatur
(Schallgeschwindigkeit) abhängig
• Erklärung der Kern-HülleStruktur von Jupiter, Saturn,
Uranus und Neptun
Folie 10
Entstehung von Gasplaneten II
Mayer et al. 2002
6. Exoplaneten
• Direkter Prozess aus dem Gas
• Gravitative Instabilitäten in der
Scheibe ohne vorheriges
Wachstum aus Planetesimalen
• Erklärungsversuch der
sonnennahen Exoplaneten
• Migration oder Entstehung am
heutigen Ort
• Problem: Planetenmigration am
richtigen Ort zu stoppen
• Wechselwirkung mit dem Gas,
anderen Planeten, Magnetfeldern,
…
Folie 11
Entdeckung extrasolarer Planeten
• Seit 1995 mehr als 130
extrasolare Planeten entdeckt
• Indirekte Methoden, vor allem
Doppler-Effekt am Zentralstern
• Bewegung um einen gemeinsamen
Schwerpunkt führt zu winzigen
Verschiebungen von Spektrallinien
• Photometrie: Bedeckungen bei
HD 209458 durch einen Planeten
• Allgemeine Eigenschaften zur
Entstehung von Planetensystemen
• Planeten um zahlreiche Sterne,
z.B. auch im Doppelsternsystem γ
Cep
6. Exoplaneten
Folie 12
Doppler-Spektroskopie
• Hohe Genauigkeit und
Stabilität der Spektrographen
über Jahre erforderlich, e.g.
CORALIE, ELODIE, HARPS, …
• Verschiebung der Gesamtheit
der Spektrallinien gegen einen
Hintergrund (z.B. Iodid-Zelle)
• Amplituden in der
Größenordnung von Δv!10m/s
• Abschätzung durch den
Doppler-Effekt: Δλ/λ = Δv/c,
d.h. für λ=3000Å gilt Δλ=10-4Å
6. Exoplaneten
Folie 13
Extrasolare Planeten
Gliese 86 b
Queloz et al. 2000
M = 4MJ, P = 15.78 d,
a = 0.11 AU, M* = 0.8 M~
6. Exoplaneten
• Amplitude ausgelöst durch Jupiter:
12.5 m/s, Amplitude durch
Erdbewegung: 0.1m/s
• Globale Statistik (Sept. 2004):
– 117 Planetensysteme
– 133 Planeten
– 13 mehrfache Planetensysteme
• Große Massen und enge Systeme
leichter zu dedektieren, Mmin~√R
• Planeten mit mehrfacher Jupitermasse
in sternnahen Orbits, sog. Hot Jupiters
• Bahnen mit hoher Exzentrizität
vorhanden
Folie 14
Beispiel: HD 209 458
Brown et al. 2001
6. Exoplaneten
• HST-Beobachtungen erlauben
präzise Transitphotometrie, 4
Durchgänge beobachtet
• Stern: G0V (Sonne: G2V),
d=47pc
• Stern mit R* = 1.146 ± 0.050 R~
• Planet mit Rp=1.347 ± 0.060 RJ
• P = 3.524 Tage, a = 0.0468 AU
• Inklination: i = 86.68°± 0.14°
• Keine Ringe oder Monde größer
als 1.8 Erdmassen entdeckt
• Möglichkeit erdähnliche
Planeten zu entdecken
Folie 15
OGLE-Daten
OGLE-TR-113 b
• Überwachung dichter
Sternfelder, sog. crowded field
photometry
• 170 Millionen Sterne im
galaktischen Bulge, 33
Millionen Sterne in der
Magellan’schen Wolken
• Automatische Auswertung
erforderlich
• OGLE: Optical Gravitational
Lensing Experiment (seit
• Bislang (Sept. 2004) 6 Planeten
entdeckt
• Möglichkeit erdähnliche
Planeten zu entdecken
M=1.35MJ, P=1.432 Tage, d¡1500Lj
6. Exoplaneten
Folie 16
Massen von Exoplaneten
• Beobachtungen zeigen bislang
nur jupiter- bzw. saturn-artige
Objekte
• Massengrenze bei etwa 15 MJ,
bei höheren Massen findet
Deuteriumbrennen statt
• Planetenentstehung in der
Nähe des Zentralsterns
schwierig
• Gasakkretion durch hohe
Schallgeschwindigkeit kaum
möglich
• Migrationshypothese,
Gezeiten-Wechselwirkung mit
der Scheibe
6. Exoplaneten
Folie 17
Bahnen von Exoplaneten
Perryman 2000
• Keine Korrelation zwischen Masse
oder Abstand und Exzentrizität
• Hohe Exzentrizitäten selbst bei
kleinen Bahnradien
• Stabilität der Bahnen über lange
Zeiträume
• Teilweise gebundene Rotation
• Starke Gezeitenwechselwirkungen bei
sternnahen Planetenbahnen
• Heizung durch mechanische
Verformungen
• 12 Systeme mit mehreren Planeten,
z.B. υ And hat zumindest 3 Planeten
Butler et al. 2003
6. Exoplaneten
Folie 18
Gravitationslinsen
• Gravitative Verstärkung des
Signals beim Vorbeigang eines
Sterns samt Planeten
• OGLE 2003-BLG-235/MOA
2003-BLG-53 am 21./22. Juni
2003
• Mp/M* = 0.0039 und 61.5 Tage
zum Durchlaufen des EinsteinRinges
•
Abgeleitete Parameter:
– M* ≅ 0.36 M~
– Mp ≅ 1.5 MJup
– Projezierter Abstand: a ≅ 3.0 AU
– Abstand zur Linse: d ≅ 5.2 kpc
Brown et al. 2001
6. Exoplaneten
Folie 19
Mehrfachsysteme
• Bislang (Sept. 2004): 13
beobachtete Mehrfachsysteme,
i.e. extrasolare Planetensysteme
• 4 Planeten in sog. Habitablen
Zonen, d.h. Temperaturbereich
von flüssigem Wasser
• Abstände, Massen und
Bahnelemente teilweise
gänzlich von unserem
Sonnensystem verschieden
• Anzahl stark durch AuswahlEffekte beinflusst
Marcey et al. 2004
6. Exoplaneten
Folie 20
Viele ungelöste Probleme
NASA: Illustration, GL876 (2002)
6. Exoplaneten
• Allgemeine, quantitative Theorie der
Planetenentstehung fehlt bislang
• Frage nach Einzigartigkeit unseres
Planetensystems
• Ordnung oder Chaos in den frühen
Planetenbahnen
• Rolle Jupiters als Ordnungsmacht,
z.B. Titius-Bode-Reihe
• Anzahl erdähnlicher Planeten
• Bedingungen für die Existenz von
Leben (Achsenneigung, Rotation,
Kontinente, Erdmond, Gezeiten, …)
• Wichtigkeit von flüssigem Wasser
Folie 21
Zusammenfassung:
Stern- und Planetenentstehung
6. Exoplaneten
• Sterne entstehen durch einen
Gravitationskollaps aus interstellaren
Wolken
• Planeten entstehen in protostellaren
Akkretionsscheiben, kein direkter
Kollaps aus dem interstellaren Medium
• Viele Details nach wie vor ungeklärt
• Verbesserung und Verbreiterung der
Beobachtungsdaten notwendig
• Diversität der Planeten (Masse,
Entfernung zum Zentralstern,
Exzentrizität, chem. Zusammensetzung,
etc.) deutet auf Wechselspiel zahlreicher
Prozesse
Folie 22
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