Ausgewählte Ergebnisse

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Beobachtungskampagnen für Exoplaneten
13.09.2011
Exoplanetary Atmospheres
Observations and Models
Inhalt
1. Beobachtungskampagnen f. Exoplaneten
2. Ausgewählte Ergebnisse
3. Ausblick
4. Atmosphärenmodelle für Exoplaneten
5. Diskussion
Forschungsplattform ExoLife – Schwerpunktseminar Astrobiologie: Habitabilitätskriterien für (Exo)planeten
2
1
Beobachtungskampagnen für Exoplaneten
13.09.2011
1 - Beobachtungskampagnen für Planeten - Übersicht
Beobachtungen - Übersicht
•
•
•
•
•
•
Kepler (NASA)
CoRoT (CNES)
Spitzer (NASA)
MEarth (HSCfA)
HATNet (HSCfA)
SuperWASP (Konsortium v. 8 Inst.)
Forschungsplattform ExoLife – Schwerpunktseminar Astrobiologie: Habitabilitätskriterien für (Exo)planeten
3
1 - Beobachtungskampagnen für Planeten - Kepler
Kepler
• Ziel: erdähnliche Planeten zu
finden
• Methode: Transit, Photometrie
von über 105 Sternen in CygnusLyra-Bereich
• Instrumente: Primary 1.4 m,
Photometer 0.95m Apertur,
95 Mpixel Detektor
• Missionsdauer: 3.5 Jahre
• Start: 7. März 2009
Quelle: [1]
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4
2
Beobachtungskampagnen für Exoplaneten
13.09.2011
1 - Beobachtungskampagnen für Planeten - CoRoT
CoRoT
Convection Rotation and planetary Transits
• Ziel: Erforschung der inneren Struktur von Sternen, Auffinden von
(erdähnlichen) Exo-Planeten
• Methode: Photometrie f. Asteroseismologie und Planetentransits,
Beobachtung in 2 Richtungen
(Sommer und Winter)
• Instrumente: 2 parab. 27cm Spiegel,
WFC (visuell)
• Missionsdauer: 2.5 Jahre geplant,
aktuell bis 2013 verlängert
• Start: 27.12.2006
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5
1 - Beobachtungskampagnen für Planeten - CoRoT
CoRoT
Convection Rotation and planetary Transits
SOMMER
WINTER
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3
Beobachtungskampagnen für Exoplaneten
13.09.2011
1 - Beobachtungskampagnen für Planeten - Spitzer
Spitzer
• Ziel: Beobachtung des Universums
im Infraroten, letztes Teleskop im
NASA Great Observatory Program
HST (visuell), COMPTON (γ-Ray),
Chandra (X-ray)
• Methode: Spektroskopie
• Instrumente: 0.85 m Spiegel
– IRAC
– IRS
– MIPS
• Missionsdauer: 2.5 - 5 Jahre
• Start: 25.08.2003
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7
1 - Beobachtungskampagnen für Planeten - MEarth
MEarth
• Ziel: 2000 nahe M-Sterne
auf Transits von Planeten in
habitabler Zone untersuchen
• Methode: Transit
• Instrumente: 8 identische 16“
(40 cm) Ritchey-Chrétien Teleskope, 2048x2048 Pixel CCD
• Missionsdauer: N/A
• Start: Jänner 2008
Quelle: [3]
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4
Beobachtungskampagnen für Exoplaneten
13.09.2011
1 - Beobachtungskampagnen für Planeten - HATNet
HATNet
Hungarian Automated Telescope Net
• Ziel: Exoplaneten entdecken
und klassifizieren, helle variable
Sterne entdecken und verfolgen
Quelle: [4]
• Methode: Transit
• Instrumente: sechs 11 cm Spiegel,
wide field (8°x8°), vollautomatisiert
• Missionsdauer: N/A (Ende 2006?)
• Start: Oktober 2003
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9
1 - Beobachtungskampagnen für Planeten - SuperWASP
SuperWASP Wide Angle Search for Planets
• Ziel: Entdeckung extrasolarer Planeten
• Methode: Transit
• Instrumente: 8 Weitwinkel-Kameras
an 2 Beobachtungsorten
• Missionsdauer: N/A
• Start: 2004
Quelle: [5]
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5
Beobachtungskampagnen für Exoplaneten
13.09.2011
2 – Ausgewählte Ergebnisse - Übersicht
Ausgewählte Ergebnisse - Übersicht
#
Objekt
Kampagne
1
HD 189733b
Spitzer, IRAC; HST,
NICMOS
2
HD 15082b
SuperWASP
3
GJ 436b
Spitzer, IRAC
4
CoRoT-9b
CoRoT
5
HR 8799b
Keck II, OSIRIS
6
HAT-P-9b
HATNet
7
TrES-1
Spitzer
8
GJ 1214b
MEarth
9
Kepler-5b
Spitzer, Kepler
10
HD 209458b
Spitzer
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2 – Ausgewählte Ergebnisse - HD 189733b
HD 189733b
Quellen: [6], [7]
Stern K1-K2, aktiver Stern mit Sternflecken
Periode (d) 2,22 +3,6e-07 -7,6e-07
Gr. HA (AU) 0,031 ± 0,00052
M (MJ) 1,138 ± 0,025
R (RJ) 1,178 + 0,016 -0,023
Teff (K) 973 ± 33 (min. brightness), 1212 ± 11 (max. brightness)
Moleküle CH4, H2O, CO, Na
Bem.: HST, NICMOS „…no conclusive evidence for molecular
features…“ [8]
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6
Beobachtungskampagnen für Exoplaneten
13.09.2011
2 – Ausgewählte Ergebnisse - HD 15082b
HD 15082b
(Wasp-33b)
Quellen: [6], [9]
Stern A5
Periode (d) 1,22 ± 4,5e-07
Gr. HA (AU) 0,026 ± 0,00023
M (MJ) < 4,59
R (RJ) 1,438 + 0,062 -0,03
Teff (K) ~ 2800 (heißester bekannter Planet, Stand Feb. 2011)
Moleküle N/A
Bem.: -
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2 – Ausgewählte Ergebnisse - GJ 436b
GJ 436b
Quellen: [6], [10]
Stern M2.5
Periode (d) 2,64 ± 1,6e-06
Gr. HA (AU) 0,029 ± 0,00095
M (MJ) 0,074 ± 0,0052
R (RJ) 0,365 ± 0,02
Teff (K) 740 ± 16
Moleküle CO, CO2, H2O
Bem.: Möglicherweise auch CH4 vorhanden [11]
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7
Beobachtungskampagnen für Exoplaneten
13.09.2011
2 – Ausgewählte Ergebnisse – CoRoT
CoRoT--9b
CoRoT-9b
Quellen: [6], [12]
Stern G3V
Periode (d) 95,27 ± 0,0014
Gr. HA (AU) 0,407 ± 0,005
M (MJ) 0,84 ± 0,07
R (RJ) 1,05 ± 0,04
Teff (K) 250 – 430
Moleküle bei primary transit könnten CH4, H2O und CO2 entdeckt werden
Bem.: -
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2 – Ausgewählte Ergebnisse – HR 8799b
HR 8799b
Quellen: [6], [13]
Stern A5V
Periode (d) 170 000
Gr. HA (AU) 68
M (MJ) 7 +4 -2
R (RJ) 1,1 ± 0,1
Teff (K) 1100 ± 100
Moleküle N/A
Bem.: Junger Stern (30 My), Spektroskopie und Photometrie legt
Existenz von Wolken in der Atmosphäre nahe
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8
Beobachtungskampagnen für Exoplaneten
13.09.2011
2 – Ausgewählte Ergebnisse – HAT
HAT--P-9b
HAT-P-9b
Quellen: [6], [14]
Stern F
Periode (d) 3,92 ± 2e-06
Gr. HA (AU) 0,053 ± 0,002
M (MJ) 0,67 ± 0,08
R (RJ) 1,4 ± 0,06
Teff (K) 1530 ± 40
Moleküle N/A
Bem.: -
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2 – Ausgewählte Ergebnisse – TrESTrES-1
TrES-1
Quellen: [6], [15]
Stern K0V
Periode (d) 3,03 ± 2e-07
Gr. HA (AU) 0,039 ± 0,0007
M (MJ) 0,761 ± 0,05
R (RJ) 1,099 ± 0,035
Teff (K) 1060 ± 50
Moleküle Möglicherweise CO und H2O
Bem.: -
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9
Beobachtungskampagnen für Exoplaneten
13.09.2011
2 – Ausgewählte Ergebnisse – GJ 1214b
GJ 1214b
Quellen: [6], [16]
Stern M
Periode (d) 1,58 ± 2,4e-07
Gr. HA (AU) 0,014
M (MJ) 0,02 ± 0,0027
R (RJ) 0,245 ± 0,0054
Teff (K) 555
Moleküle möglicherweise mehr als 10% H2O, möglicherweise CH4
Bem.: Wolken in Atmosphäre wahrscheinlich
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2 – Ausgewählte Ergebnisse – Kepler
Kepler--5b
Kepler-5b
Quellen: [6], [17]
Stern Teff = 6297 ± 60 K
Periode (d) 3,55 ± 3,2e-05
Gr. HA (AU) 0,05 ± 0,0007
M (MJ) 2,114 ± 0,064
R (RJ) 1,431 ± 0,048
Teff (K) 1868 ± 284
Moleküle möglicherweise CO
Bem.: Hot Jupiter
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10
Beobachtungskampagnen für Exoplaneten
13.09.2011
2 – Ausgewählte Ergebnisse – HD 209458b
HD 209458b
Quellen: [6], [18]
Stern G0V
Periode (d) 3,52 ± 3,8e-07
Gr. HA (AU) 0,047 ± 0,00055
M (MJ) 0,714 ± 0,017
R (RJ) 1,38 ± 0,018
T (K) ~340 K bis 800 km, ~1500 K v. 800 km-4000 km, ~2500 K bei
6500 km
Moleküle H, H2O, Na, TiO, VO
Bem.: Temperaturschichtung mittels NaI Absorption
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21
2 – Ausgewählte Ergebnisse – Zusammenfassung
Zusammenfassung
Planet
Moleküle
Temperatur
HD 189733b
CH4, H2O, CO, Na (?) HST
973 – 1212 K
HD 15082b
N/A
~ 2800 K
GJ 436b
CO, CO2, H2O, möglicherw. CH4
~ 750 K
CoRoT-9b
CH4, H2O und CO2 warten auf
Entdeckung
250 – 430 K
HR 8799b
N/A
~ 1100 K
HAT-P-9b
N/A
~ 1500 K
TrES-1
möglicherweise CO und H2O
~ 1000 K
GJ 1214b
möglicherweise mehr als 10% H2O,
möglicherweise CH4
~ 550 K
Kepler-5b
möglicherweise CO
~ 1850 K
HD 209458b
H, H2O, Na, TiO, VO
Schichtung, 340 – 2500 K
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11
Beobachtungskampagnen für Exoplaneten
13.09.2011
3 – Beobachtungen – Ausblick
Beobachtungen - Ausblick
• JWST Infrarot, Messung von Spektren der Planeten
und evtl. Scheiben [19]
• Gaia Beobachtung von 109 Sternen, dabei auch
Entdeckung von Exoplaneten [20]
• TPF Entdeckung erdähnlicher Planeten und
Messung der Atmosphärenzusammensetzung [21]
• E-ELT Entdeckung und Charakterisierung von
Exoplaneten von Erd- bis Neptun-Größe [22]
• SEARCH - Spectropolarimetric Exoplanet AtmospheRe
CHaracerisation von Planeten reflektiertes Licht ist
linear polarisiert, Sternenlicht nicht [23, 24]
Forschungsplattform ExoLife – Schwerpunktseminar Astrobiologie: Habitabilitätskriterien für (Exo)planeten
23
4 – Atmosphärenmodelle - Übersicht
Atmosphärenmodelle
• 3D-Modell für Gliese 581g
• Modell für Exoplaneten mit exzentrischem
Orbit am Beispiel von HD 80606b, HD 17156b
Forschungsplattform ExoLife – Schwerpunktseminar Astrobiologie: Habitabilitätskriterien für (Exo)planeten
24
12
Beobachtungskampagnen für Exoplaneten
13.09.2011
4 – Atmosphärenmodelle – Gliese 581g
3D-Modell für Gliese 581g
• Gliese 581g
Quelle: [6]
Stern M2.5
Periode (d) 36,652 ± 0,052
Gr. HA (AU) 0,14601 ± 0,00014
M · sin i (MJ) 0,01
R (RJ) N/A
Teff (K) N/A
Moleküle N/A
Bem.: NICHT BESTÄTIGT!
Forschungsplattform ExoLife – Schwerpunktseminar Astrobiologie: Habitabilitätskriterien für (Exo)planeten
25
4 – Atmosphärenmodelle – Gliese 581g
3D-Modell für Gliese 581g
[25]
• Motivation: HZ bei M-Zwergen zwischen ~ 0.1 – 0.2
AU tidally locking
Interesse an globalen Zirkulationsmodellen Existenz von Gliese 581g zweitrangig
• Modell basiert auf Flexible Modelling System (FMS)
des Geophysical Fluid Dynamics Laboratory (GFDL),
Princeton
• Strahlungstransport und Atmosphärenchemie wird
vernachlässigt, nur Dynamik betrachtet
Forschungsplattform ExoLife – Schwerpunktseminar Astrobiologie: Habitabilitätskriterien für (Exo)planeten
26
13
Beobachtungskampagnen für Exoplaneten
13.09.2011
4 – Atmosphärenmodelle – Gliese 581g
Methodik
• Implementiert wird die grundlegende Dynamik
der atmosphärischen Zirkulation, radiative
Kühlung wird stark vereinfacht
• Gelöst werden die einfachen, meteorologischen
Gleichungen unter Annahme vertikalen
hydrostatischen Gleichgewichts
• Details siehe [26] Code zum Download, ausführliche Dokumentation
Forschungsplattform ExoLife – Schwerpunktseminar Astrobiologie: Habitabilitätskriterien für (Exo)planeten
27
4 – Atmosphärenmodelle – Gliese 581g
Ergebnisse
globale Temperatur in K nahe der Oberfläche (0.95 – 1 bar), mit tidal locking, gemittelt
über 1000 Erdtage (ersten 200 d vernachlässigt) [26]
Forschungsplattform ExoLife – Schwerpunktseminar Astrobiologie: Habitabilitätskriterien für (Exo)planeten
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14
Beobachtungskampagnen für Exoplaneten
13.09.2011
4 – Atmosphärenmodelle – Gliese 581g
Ergebnisse
globale Temperatur in K nahe der Oberfläche (0.95 – 1 bar), Planet rotiert, Rotationsrate 1 Erdtag, gemittelt über 1000 Erdtage (ersten 200 d vernachlässigt) [26]
Forschungsplattform ExoLife – Schwerpunktseminar Astrobiologie: Habitabilitätskriterien für (Exo)planeten
29
4 – Atmosphärenmodelle – HD 80606b, HD 17156b
Modell für Exoplaneten mit
exzentrischem Orbit [27]
• zeitabhängiger Strahlungstransport, keine
Kopplung mit Dynamik keine Neuverteilung
der Wärme (zu aufwendig), nur in Abhängigkeit
von der Position des Planeten rel. zum Stern
• Zeitskala für Reaktion der Atmosphäre auf
Veränderung, als Funktion der Exzentrizität und
Höhe in der Atmosphäre
Forschungsplattform ExoLife – Schwerpunktseminar Astrobiologie: Habitabilitätskriterien für (Exo)planeten
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15
Beobachtungskampagnen für Exoplaneten
13.09.2011
4 – Atmosphärenmodelle – HD 80606b, HD 17156b
Modell für Exoplaneten mit
exzentrischem Orbit
•
Ergebnisse werden bezogen auf die 2 Exoplaneten mit der größten
bekanten Exzentrizität:
HD 80606b
Stern
Quelle: [6]
HD 17156b
G5
Stern
Quelle: [6]
G0
Periode (d)
111,44 ± 0,0009
Periode (d)
21,22 ± 1,59e-05
Gr. HA (AU)
0,449 ± 0,006
Gr. HA (AU)
0,1623 +0,0015 -0,002
M (MJ)
R (RJ)
Exzentrizität
Moleküle
Bem.:
3,94 ± 0,11
0,921 ± 0,036
0,934 +0,00014 -0,00043
K
M (MJ)
R (RJ)
Exzentrizität
Moleküle
Wide binary system (a ~
1200 AU)
Bem.:
3,191 ± 0,033
1,095 ± 0,02
0,6768 ± 0,0034
N/A
-
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4 – Atmosphärenmodelle – HD 80606b, HD 17156b
Ergebnisse
• Temperaturschichtung
fixer Breitengrad, Position im Orbit (Zeitschritt) durch graue Linien dargestellt [27]
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Beobachtungskampagnen für Exoplaneten
13.09.2011
4 – Atmosphärenmodelle – HD 80606b, HD 17156b
Ergebnisse
• Temperaturschichtung für bestimmte Zeitschritte
HD 17156b [27]
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4 – Atmosphärenmodelle – HD 80606b, HD 17156b
Ergebnisse
• Temperaturschichtung für bestimmte Zeitschritte
HD 80606b [27]
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Beobachtungskampagnen für Exoplaneten
13.09.2011
5 – Diskussion
Diskussion
• Beobachtungen:
– fehlende Empfindlichkeit
– viele Annahmen (Modellfits, …)
• Modelle:
– Herleitung von Erdmodellen Gültigkeit?
– starke Vereinfachungen Interpretation sinnvoll?
• Forschungsbereich steht ganz am Anfang
• momentan: „nichts genaues weiß man nicht“
Forschungsplattform ExoLife – Schwerpunktseminar Astrobiologie: Habitabilitätskriterien für (Exo)planeten
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Quellen…
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•
•
[1] http://kepler.nasa.gov/Mission/QuickGuide/
[2] http://www.spitzer.caltech.edu/
[3] https://www.cfa.harvard.edu/~zberta/mearth/
[4] https://www.cfa.harvard.edu/~gbakos/HAT/
[5] http://www.superwasp.org/index.html
[6] http://www.exoplanet.eu/
[7] A map of the day–night contrast of the extrasolar planet HD 189733b, Knutson, H.A. et al. (2007):
Nature, 447, 183
[8] A new look at NICMOS transmission spectroscopy of HD189733, GJ-436 and XO-1: no conclusive
evidence for molecular features, Gibson N., Pont, F. & Aigrain S. (2011): MNRAS , 411 , 2186
[9] A planet of an A-star: HD15082b, Guenther, E.W. et al. (2011): PLANETARY SYSTEMS BEYOND THE
MAIN SEQUENCE: Proceedings of the International Conference. AIP Conference Proceedings, Volume
1331, pp. 95-101 (2011)
[10] A SPITZER TRANSMISSION SPECTRUM FOR THE EXOPLANET GJ 436B, EVIDENCE FOR STELLAR
VARIABILITY, AND CONSTRAINTS ON DAYSIDE FLUX VARIATIONS, Knutson, H.A. et al. (2011): eprint
arXiv:1104.2901
[11] Methane in the Atmosphere of the Transiting Hot Neptune GJ436B?, Beaulieu, J.-P. et al. (2011): ApJ,
731, 1, 16
[12] A transiting giant planet with a temperature between 250 K and 430 K, Deeg, H.J. et al. (2010):
Nature, 464, 384
[13] CLOUDS AND CHEMISTRY IN THE ATMOSPHERE OF EXTRASOLAR PLANET HR8799b, Barman, T.S. et al.
(2011): ApJ, 733, 65, 1
Forschungsplattform ExoLife – Schwerpunktseminar Astrobiologie: Habitabilitätskriterien für (Exo)planeten
36
18
Beobachtungskampagnen für Exoplaneten
13.09.2011
…Quellen
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
[14] HAT-P-9b: A LOW-DENSITY PLANET TRANSITING A MODERATELY FAINT F STAR, Shporer, A. et al. (2009): ApJ, 690, 13931400
[15] DETECTION OF THERMAL EMISSION FROM AN EXTRASOLAR PLANET, Charbonneau, D. et al. (2005): ApJ, 626,
523-529
[16] OBSERVATIONAL EVIDENCE FOR A METAL-RICH ATMOSPHERE ON THE SUPER-EARTH GJ1214b, Désert, J.-M. et
al. (2011): ApJ, 731, L40, 1
[17] The atmospheres of the hot-Jupiters Kepler-5b and Kepler-6b observed during occultations with Warm-Spitzer
and Kepler, Désert, J.-M. et al. (2011): arXiv:1102.0555
[18] The upper atmosphere of the exoplanet HD209458 b revealed by the sodium D lines - Temperature-pressure
profile, ionization layer, and thermosphere, Vidal-Madjar, A. et al. (2011): A&A, 527, A110, 1-10
[19] http://www.jwst.nasa.gov/origins.html
[20] http://www.esa.int/esaSC/120377_index_0_m.html
[21] http://planetquest.jpl.nasa.gov/TPF/tpf_index.cfm
[22] http://www.eso.org/public/archives/brochures/pdf/e-eltsciencecase.pdf
[23] Opening a new window to other worlds with spectropolarimetry, Mohler, M. et al. (2010): Exp. Astron. 28,
101-135
[24] Polarimetric study of transiting extrasolar planets, Kostogryz, N.M. et al. (2011): MNRAS, doi:10.1111/j.13652966.2011.18746.x
[25] Gliese 581g as a scaled-up version of Earth: atmospheric circulation simulations, Heng, K., Vogt, S.S. (2011):
MNRAS, DOI: 10.1111/j.1365-2966.2011.18853.x
[26] http://gfdl.noaa.gov/fms
[27] A TIME-DEPENDENT RADIATIVE MODEL FOR THE ATMOSPHERE OF THE ECCENTRIC EXOPLANETS, Iro, N.,
Deming, L.D. (2010), ApJ, 712, 218-225
Forschungsplattform ExoLife – Schwerpunktseminar Astrobiologie: Habitabilitätskriterien für (Exo)planeten
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