ExoPlaneten innerhalb 100 Lichtjahre
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ExoPlaneten Die Suche nach der 2. Heimat Max Camenzind Senioren Würzburg November 2014 Komet 67P Komet 67P: Perihel: 1,2432 AE Aphel: 5,689 AE a = 3,463 AE e = 0,6412 P = 6,44 a i = 7,04 Rot = 12,4 h 67P Kometenbahn 2015 Motivation • Eine der ältesten Fragen der Menschheit: • Sind wir allein im Universum? • Ist unser Planetensystem einmalig? – Es gibt 300 Mrd. Sterne in der Milchstraße – Die meisten haben < 2 Sonnenmassen – Planetensysteme entwickeln sich fast immer – Ist unser Sonnensystem der Normalfall? • Die Suche nach Planeten ist eine experimentelle Herausforderung. Unsere nächsten Nachbarn + P ExoPlanet? Periode = 3,236 d Achse = 0,04 AE alpha Centauri Doppelstern alpha Centauri Planeten? Uninteressant! Zu jung! Unsere Themen • • • • • • Wonach suchen wir ? Hat jeder Stern ein Planetensystem ? Wie kann man Planeten finden? Direkte Abbildung ist selten möglich. Radialgeschwindigkeitsmethode Transit-Methode Ergebnisse zu Kepler • Wie ist der Stand Ende 2014? 2000 ExoP • Wieviele Planeten in der Habitablen Zone ? • Künftige Missionen: TESS, PLATO, … Wonach suchen wir ? • Sterne: Selbstgravitierende Gaskugeln, Energiebedarf wird/wurde durch (Wasserstoff-) Fusion gedeckt (davon 300 Mrd. in der Galaxis). Grenzmasse von 0,08 M = 80 MJ Braune Zwerge: Energiebedarf wird anfänglich durch Deuteriumfusion gedeckt, nur Kontraktion. Grenzmasse von 0,013 M=13 MJ • Planeten: Keine Fusionsprozesse, Umwandlung nur von potentieller Gravitations-Energie bei Kontraktion + Einstrahlung vom Stern. Das Problem • Braune Zwerge und Planeten sind extrem lichtschwach: L R Teff L R Teff, 2 • Leuchtkraft: • Brauner Zwerg: • Planet: 4 L 2 4 0.1 0.3 104...105 L L 2 4 0.1 0.1 106 L 109 Unser Planetensystem - Sehr geordnet - der Normalfall ? Klassen von Planeten 4 „Rocky Planets“ Erd-ähnlich Super-Erden Super-Erden fehlen 4 Gasplaneten Jupiter-artig Neptun-artig ExoPlaneten bis heute Planeten entstehen noch heute Planeten entstehen immer HD 95086 / Spitzer / JPL / NASA HL Tau ALMA 2014 Gaps Planeten? 1500 LMinuten Detektionsmethoden Doppler Methode Bahn von der Seite: Doppler-Verschiebung optimal messbar Bahn von oben: Doppler-Verschiebung nicht messbar. Beispiel: Gliese 436b Gliese 876 b: Stern M4 V Distanz: 4,69 pc Masse: 0,32 MS Temperatur: 3350 K Periode: 60,9 d Halbachse: 0,21 AE Gliese 876 b: Stern M4 V Distanz: 4,69 pc Masse: 0,32 MS Temperatur: 3350 K Periode: 60,9 d Halbachse: 0,21 AE The diagram shows the variatios of the radial velocity of TW Hydrae as observed in early 2007. The data can best be described as an oscillation with a period of 3.6 days, caused by a giant planet orbiting around the star. Instrumentelle Grenze Histo Doppler-Amplituden Histo Doppler-Amplituden 2014 Dopplermessungen Masse • 3. Keplersches Gesetz zusammen mit Impulserhaltung liefert 2 GMs MPl sin i Msvs sin i P 3 • Sternmasse aus Spektroskopie, Geschwindigkeit v sini über Dopplereffekt messen & Periode P bestimmen. • Jedoch: der Effekt ist sehr klein: • Jupiter auf Sonne: 15 m/s oder 0,0003Å bei 6000Å • Saturn auf Sonne: 2,7 m/s oder 0,00006Å bei 6000Å Histo Planetenmassen M sini Neptun-artige Jupiter-artige Die Transit-Methode Kepler Teleskop 2009 - 2012 Kepler Sternenfeld Kepler 10b – der Erdähnliche Kepler 10b – die Lichtkurve Kepler 10b – Dichte = 8,8 g/cm³ Kepler 11 – die Lichtkurve arXiv:1402.6534 arXiv:1402.6534 3 Jahre Kepler-Daten ExoPlaneten Archiv exoplanets.org Bis November 2014: 989 Planeten 4178 Kandidaten 2165 Doppelsterne Einstrahlung Histo Transit-Dauer in hr M. Camenzind 2014 Histo Transit-Tiefe (R*/RP)² Jupiters Erden M. Camenzind 2014 Masse der Sterne F-Sterne M-Sterne G-Sterne K-Sterne <M> = 0,98 MS A-Sterne M. Camenzind 2014 Temperatur der Sterne G-Sterne M-Sterne K-Sterne F-Sterne M. Camenzind 2014 HRD Kepler-Sterne Grafik: Eric Gaidos 2013 Masse der Exoplaneten SuperErden Erden Neptune Jupiters M. Camenzind 2014 Radien der Exoplaneten M. Camenzind 2014 Bahnen der Exoplaneten 3 Jahre Kepler Beobachtung Gezeitengrenze = Roche-Grenze für Sonne M. Camenzind 2014 Bahn-Perioden der Exoplaneten M. Camenzind 2014 Planetensysteme exzentrisch Sonnensystem Pluto Sonnensystem Massen vs Halbachsen Kepler 2014 Hot Jupiter Jupiters Neptun Super-Erden + Mini-Neptune Gezeitengrenze = Roche-Grenze für Sonne 4 innere Planeten M. Camenzind 2014 Radien vs Bahn-Perioden Gezeitengrenze = Roche-Grenze für Sonne M. Camenzind 2014 J. Lissauer 2014 J. Lissauer 2014 Potenziell Habitable ExoPlaneten The star Gliese 667C is now the best candidate for harboring habitable worlds. Das Kepler-186 Planetensystem Das System Kepler-186 Planet Masse a [AE] P [d] b -- 0,0378 3,88679 < 0,24 83,86 1,08 RE c -- 0,0574 7,26730 < 0,24 85,94 1,25 d -- 0,0861 13,3429 < 0,25 87,09 1,39 e -- 0,1216 22,4077 < 0,24 88,24 1,33 f -- 0,3926 129,949 < 0,34 89,9 1,13 Kepler-186a: Masse: 0,478 MS Radius: 0,52 RS Temperatur: 4048 K Distanz: 151 pc Ecc e Inklinat Radius Super-Erden Kepler-186f Grafik: Lisa Kaltenegger 2013 Irdische Planeten – Nadel im Heuhaufen • Mindestens alle isoliert lebenden Sterne zwischen 0,3 und 2 Sonnenmassen (3200 – 8000 K) dürften Planetensysteme entwickelt haben. • Massereiche Sterne leben zu kurz und sind zu heiß, um Planetensysteme auszubilden. • Sehr massearme Zwerg-Sterne sind zu kühl. • Es könnte in der Milchstraße damit etwa einige Milliarden (terrestrische) Planeten in der habitablen Zone geben. • Wieviele von diesen Planeten tatsächlich höheres Leben entwickelt haben, ist noch schwer abzuschätzen < 0,01% > 1 Mio. Sterne überwachen Planeten mit Leben zu finden. Mission Roadmap Science Roadmap 2010-2020 2030-2040 2020-2030 Zukunft Vollständige Erfassung ExoPlaneten d < 300 pc Charakterisierung der Welt der ExoPlaneten Unsere nächsten Nachbarn innerhalb von 100 Lichtjahren: Überwachung von Planetensystemen und Suche nach Habitablen Klimas Auswandern? Ground-Based Mission-Supporting Observations: CARMENES, .. PLATO/ESA TESS/NASA JWST Spitzer Kepler (Flagship Direct Imaging Mission) WFIRST+C HST Transit Char. Mission? F-DIM: Astrometry Mission? M. Camenzind 2014 Transiting Exoplanet Survey Satellite NASA Satellit 2017 / 200 Mio. € Future: TESS = Kepler 2.0 Wird 2,5 Mio. Sterne in der Sonnenumgebung überwachen! d < 100 pc Suche nach ExoPlaneten bei 300 M-Zwergen / 2016 – 2020 Calar Alto CARMENES hängt am 3,5 m Calar Alto Teleskop PLAnetary Transits and Oscillations of stars M Mission der ESA Approved 19.2.2014 Start ~2024 PLATO Optische Bank PLATO-Instrumentierung PLATO-Felder ExoPlaneten mit JWST 11/25/2014 ExoPlaneten mit JWST 11/25/2014 Was wissen wir heute? • Planeten entstehen bei (fast) allen massearmen und sonnenartigen Sternen: von 0,1 – 2 Sonnenmassen. • Doppler-Methode findet vor allem massereichere Planeten HARPS systematische Untersuchung 50 neue Planeten gefunden auch mit Super-Erden. • Transit-Methode beste Methode Ergebnisse von Kepler für P < 300 Tage ergaben 989 Planeten + 4000 KOIs aus 156.000 Sternen Überwachung von ~ 1 Mio. Sternen über 10 Jahre 1 lebensfähige Erde! • Mit Transitmethode werden nur etwa R*/a = 0,5 - 1% aller sonnenartigen Sterne erfasst! • Ergebnisse für P < 3 Jahre Kepler-Daten sind reichhaltig. • Irdische Planeten mit Leben bleibt abzuwarten!
