Vortrag von Dr. Michael Theusner
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Exoplaneten Vortrag von Dr. Michael Theusner Volkssternwarte Hannover, 13.02.2014 Vortragsübersicht • • • • • Einleitung Detektionsmethoden Das Kepler-Projekt Die habitable Zone Zukünftige Projekte 2 Einleitung – was sind Exoplaneten? „Ein Planet außerhalb des Sonnensystems.“ 3 Einleitung – was sind Exoplaneten? Arbeitsdefinition der IAU • Objekt muss einen Stern umkreisen • Objekt muss eine Masse kleiner als 13 Jupitermassen haben – Grenze für Fusion von Deuterium • Untere Grenze sollte „wie bei uns“ definiert sein • Substellare Objekte mit Masse größer 13 Jupitermassen sind Braune Zwerge, keine Planeten • Freischwebende Objekte mit Masse kleiner als 13 Jupitermassen sind Sub-Braune Zwerge (keine Planeten) Quelle: Working Group on Extrasolar Planets Definition of a „Planet“, Stand vom 28.02.2003 4 Einleitung – was sind Exoplaneten? Zusammengefasst • Objekt darf nicht zu groß oder zu klein sein – Kein Brauner Zwerg – Kein Zwergplanet oder Asteroid • Darf kein eigenes, sichtbares Licht aussenden 5 Einleitung – Geschichte • Seit Jahrtausenden Spekulationen – Griechen Demokrit, Epikur (4. Jhd v. Chr.) – Giordano Bruno (1584) • Bekanntgabe angeblicher Entdeckungen seit dem 19. Jahrhundert – 1855: Doppelstern 70 Ophiuchi (Bahnanomalie?) – 1890: siehe oben, Umlaufzeit 36 Jahre – 1950er bis 1985: Barnards Pfeilstern (Bahnanomalie?) – 1989 bis 1994: Ganze Serie von angeblichen Entdeckungen 6 Einleitung – Geschichte Erste bestätigte Entdeckungen 1988: Exoplanet um Gamma Cephei vermutet • Campbell, Walker und Young • Erst 2003 endgültig bestätigt 1989: Möglicher Brauner Zwerg um HD 114762 • Später als Exoplanet eingestuft 1992: 3 Exoplaneten um einen Pulsar entdeckt • Wolszczan und Frail 1994: Weiterer Pulsarplanet 1995: Exoplanet um 51 Pegasi • Mayor und Queloz 7 Einleitung – aktueller Stand Seit 1995 Flut von Entdeckungen! Bislang bestätigt • 813 Planetensysteme • 178 Planetensysteme mit mehr als einem Planet • 1075 Exoplaneten insgesamt 8 Einleitung – aktueller Stand Zahl der bestätigten Entdeckungen pro Jahr 200 Anzahl Entdeckungen 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 Quelle: exoplanet.eu 9 Einleitung – Namen der Exoplaneten Werden Exoplaneten benannt? • Name des Sterns + kleiner Buchstabe (ab „b“) • Buchstaben in der Reihenfolge der Entdeckung – b, c, d, … – Sonst ständige Änderung • 51 Pegasi b; 47 UMa b, c 10 Einleitung – Namen der Exoplaneten Stellungnahme der IAU vom 14.8.2013: 1. assigning popular names to the numerous extrasolar planets being discovered, and 2. allowing the public to be involved in that naming process. 11 Einleitung – Namen der Exoplaneten xkcd 1253: August 2013: Die Internationale Astronomische Union beschließt, Exoplaneten Namen zu geben – und daran die Öffentlichkeit zu beteiligen. Sie bereut das sofort. Können wir nicht die schlimmsten rausfiltern? Das ist nach dem Filtern! 12 Detektionsmethoden Wie kann ich einen Exoplaneten finden? Probleme: • Leuchtet nicht selbst, reflektiert nur ein wenig • Steht extrem nah am Heimatstern (überstrahlt) • Sehr leicht (< 13 MJup) • Geringer gravitativer Effekt auf Heimatstern 13 Detektionsmethoden 1980 in Sky & Telescope vorgeschlagene Methoden 1. Studie der Eigenbewegungen 2. Detektion einer Sternenfinsternis (Transitmethode) 3. Direkte Fotografie 4. Verschiebung der Spektrallinien (Radialgeschwindigkeitsmethode) 14 Detektionsmethoden existent Methoden der Exoplanetendetektion möglich in 10-20 Jahren Erfolge Radialgeschw. Weiße Zwerge Masse TZV Bed. veränd. 10 Jupiter Photometrie Dynamik 1 Jupiter Pulsare 10 Erden Microlensing direkte Abbildung Transits Astrometrie Doppler astrometrisch photometrisch All refl. Licht Boden Boden All 1 Erde Quelle: M. Perryman, exoplanet.eu 15 Detektionsmethoden Bisherige Entdeckungen Astrometrie: Transit: Direkte Abbildung: Radialgeschwindigkeit: Microlensing: Timing (Zeitnahme): 2 434 47 545 27 16 (dynamisch) (photometrisch) (photometrisch) (dynamisch) (dynamisch) 16 Detektionsmethoden • • • • Radialgeschwindigkeitsmethode (vrad) Transitmethode Microlensing Direkte Abbildung 17 Detektionsmethoden – Vrad • Indirekte Detektion der Gravitationswirkung eines Planeten • Verschiebung der Spektrallinien 18 Quelle: NOAO/AURA/NSF Detektionsmethoden – Vrad • Der Dopplereffekt 19 Detektionsmethoden – Vrad Warum bewegt sich der Stern? • Planet und Stern kreisen um gemeinsames Massenzentrum • Hin- und Herbewegung des Sterns • Dopplereffekt bewirkt Verschiebung der Spektrallinien 20 Detektionsmethoden – Vrad • Änderung der Radialgeschwindigkeit Richtung Erde 21 Detektionsmethoden – Vrad Vorgehensweise • Wiederholte Aufnahme eines Spektrums • Lage der Spektralinien • Berechnung der Radialgeschwindigkeit • Erstellung einer Zeitreihe – periodisch? 22 Detektionsmethoden – Vrad Was für Planeten können detektiert werden? v Stern M Planet G = ⋅ r M Stern Verhältnis MPlanet/MStern sollte groß sein • Abstand r sollte klein sein ⇒ • Schwerer Planet nah am Heimatstern – Umlaufzeit kurz, Periode schneller offensichtlich 23 Detektionsmethoden – Vrad Verteilung der Umlaufzeiten 10 Tage Verteilung der Planetenmassen U 100 Tage S 1000 Tage J • Saturn = 0,3 MJup • Uranus = 0,045 MJup • Erde = 0,003 MJup 0,01 MJup 0,1 MJup 1 MJup 10 MJup24 Detektionsmethoden – Transits • • • • Vorbeizug eines Planeten vor Heimatstern Detektion einer Sternenfinsternis Abnahme der beobachteten Helligkeit Vorgeschlagen von O. Struve, 1952 Quelle: CNES 25 Detektionsmethoden – Transits • Transits sind selten (Geometrie!) • 10% Planeten mit engen Umlaufbahnen – Niedriger für weit entfernte Planeten • Überwachung vieler Sterne gleichzeitig Quelle: Nikola Smolenski, Wikipedia 26 Detektionsmethoden – Transits Transitprofile (p = dPlanet/dStern) p ∆h 0.15 2.7% 0.10 1.0% 0.05 0.3% 27 Detektionsmethoden – Transits Beispiellichtkurven Hubble: HD 209458 Quelle: Brown et al. (2000) XO-Project: XO-1 Quelle: McCullough et al. (2006) 28 Detektionsmethoden – Transits Eigene Messung – HD189733 • Stern nahe M27 im Füchschen • 6 cm Linsenfernrohr • DMK-Kamera (Industrie-Webcam) M27 HD189733 Referenzsterne Quelle: M. Theusner 29 Detektionsmethoden – Transits Atmosphärensignatur S1 = SStern Planet Stern S2 – S1 = SPlanet Stern Planet S2 = SStern + SPlanet 30 Detektionsmethoden – Transits Verteilung der Umlaufzeiten 1 Tag Verteilung der Planetenmassen E 10 Tage U 100 Tage S J • Saturn = 0,3 MJup • Uranus = 0,045 MJup • Erde = 0,003 MJup 0,001 MJup 0,01 MJup 0,1 MJup 1 MJup 10 MJup31 Detektionsmethoden – Microlensing • Masse wirkt als „Gravitationslinse“ – Einstein, 1901 • Umlenkung/Verstärkung des Lichts im Gravitationsfeld eines Sterns • Effekt radialsymmetrisch Gravitationslinsenwirkung Erde Vordergrundstern Bewegung des Hintergrundsterns 32 Detektionsmethoden – Microlensing • Zusätzliche Verstärkung durch Planeten • Keine Radialsymmetrie Bewegung des Hintergrundsterns Planet Erde Vordergrundstern 33 Detektionsmethoden – Microlensing Beispiel: OGLE 2003-BLG-235 Pfad des Hintergrundsterns Gravitationslinsenwirkung Vordergrundstern Planet Quelle: OGLE Homepage 34 Detektionsmethoden – Microlensing OGLE 2003-BLG-235 Quelle: OGLE Homepage Quelle: S. Gaudi, Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics 35 Detektionsmethoden – Microlensing Nachteile • Einmaliges auftreten – spezielle Konstellation Hinter- und Vodergrundstern • Funktioniert nur bei weit entfernten Systemen – nachträgliche Überprüfung unmöglich 36 Detektionsmethoden – Direkte Abbildung • Direkte Abbildung eines Planeten neben seinem Stern • Hilfreiche Eigenschaften: – Großer Abstand Planet-Stern – Großer Planet – Junge Planeten 37 Detektionsmethoden – Direkte Abbildung • Bisher eher zufällige Entdeckungen • 9 bestätigte Planeten • Gasriesen, Typ Jupiter Planetensystem HR 8799 38 Das Kepler-Projekt • Weltraumteleskop – 95 cm Spiegel – 1000 kg • Start: 7.3.2009 • Missionsdauer: 12/2009 bis 05/2013 • Suche nach Transits • Beobachtung von 145.000 Sternen – Sternbild Schwan 39 Das Kepler-Projekt 40 Quelle: NASA Das Kepler-Projekt • Das Photometer Quelle: NASA and Ball Aerospace 41 Das Kepler-Projekt • Keplers Orbit Kepler nach 4 Jahren Kepler nach 2 Jahren Erde Sonne 42 Das Kepler-Projekt Deneb • Das Bildfeld am Himmel Schwan Vega Leier Atair Adler 43 Das Kepler-Projekt • Datenbeispiel 44 Das Kepler-Projekt – bisherige Ergebnisse • 246 bestätigte Exoplaneten • 3601 Kandidaten! Quelle: Borucki (2010) 45 Die habitable Zone Quelle: Seager (2013) 46 Die habitable Zone • Erdähnliche Planeten Quelle: Petigura et al. (2013) 47 Die habitable Zone • Kepler: 42.000 sonnenähnliche Sterne (G, K) • 603 mit Planeten • 10 „erdähnliche“ Planeten ⇒ 22% der sonnenähnlichen Sterne mit erdähnlichen Planeten 48 Die habitable Zone ⇒ 4.000.000.000 erdähnliche Planeten 49 Die habitable Zone Woraus bestehen die Exoplaneten? 50 Quelle: Howard (2013) Die Zukunft – Gaia • Mission der ESA • 1 Milliarde Sterne: – Position – Bewegung – Entfernung – Physische Eigenschaften – Radialgeschwindigeiten • seit 01/2014 am Beobachtungsort (L2) Quelle: ESA 51 Die Zukunft – E-ELT • 39-Meter-Teleskop der Europäer (ESO) – Direkte Abbildung erdgroßer Exoplaneten? – Untersuchung der Atmosphären – Fertigstellung 2022 geplant E-ELT VLT 52 Quelle: ESO Die Zukunft – TESS • • • • Transiting Exoplanet Survey Satellite 500.000 Sterne untersuchen Erdgroß und größer Start 2017 53 Quelle: NASA Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Fragen? 54
