Astro-Praktikum R 7: Exoplaneten

Astro-Praktikum R 7: Exoplaneten
Astro-Praktikum R 7: Exoplaneten
Im Rahmen dieses Rechenversuches werden die Methoden zur Entdeckung von
Extrasolaren Planeten und die theoretische Wahrscheinlichkeit der Entdeckung
von Leben auf diesen Planeten erarbeitet. Zur Bearbeitung benötigen Sie einen
Taschenrechner. Der Versuchsanleitung liegen zusätzlich aktuelle Artikel bei.
1. Entstehung von Sternen und Planeten
Nach der Theorie der Sternentstehung bilden sich Planetensysteme zusammen
mit dem Zentralstern: Kontrahiert eine interstellare Wolke aus Gas und Staub
infolge ihrer eigenen Gravitation (d.h. wenn ihre Masse gröÿer ist als die
sogenannte Jeans-Masse), so wird sich nicht alle Materie auf dem neuen Stern
ansammeln. Ein Teil der Materie wird aufgrund von Drehimpulserhaltung
eine Scheibe bilden. Durch Kollision der Materieteilchen in der Scheibe und
Zusammenklumpen bilden sich Planetesimale, die weitere Teilchen anziehen.
In den äuÿeren Bereichen der Scheibe ziehen die massereichsten Planetesimale
Gas an, welches das gröÿte Reservoir an Masse darstellt, und bilden gasförmige
Planeten. Nahe beim Zentralstern sind die Temperaturen für die Bildung
gasförmiger Planeten zu hoch. Nach gegenwärtigen Theorien dauert die Phase
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der Planetenbildung zwischen 10 und einigen 10 Jahren.
Die
zirkumstellaren
Scheiben,
aus
denen
sich
nach
dieser
Theorie
die
Planeten bilden, sind wesentlich leichter nachzuweisen als die Planeten selbst:
im IR ist die Emission der Scheibe wesentlich gröÿer als die der Sterne, so dass
ein indirekter Nachweis relativ leicht möglich ist. Im Optischen wurden mit
dem HST etliche Scheiben direkt nachgewiesen. Die Beobachtungen passen
also sehr gut zu der relativ kurz skizzierten Theorie der Sternentstehung. Wir
können demnach davon ausgehen, dass Planeten zusammen mit den Sternen
gebildet werden und in groÿer Zahl existieren. In den letzten Jahren waren
Suchprogramme nach Planeten erfolgreich, und es werden sicher noch viele
Planeten entdeckt werden.
Gibt
es
Leben
auÿerhalb
unserer
Erde?
Neue
Analysen
von
Meteoriten
haben ergeben, dass einfachste Lebensformen auch auf dem Mars existieren
könnten. Menschenähnliche Lebensformen aber kann es nach heutigem Wissensstand nur auf Planeten in habitablen Zonen anderer Sonnensysteme geben.
In
dieser
Aufgabe
sollen
einige
Methoden
zum
Nachweis
von
Planeten
auÿerhalb unseres Sonnensystems diskutiert werden. Bei allen folgenden überlegungen wollen wir vom Fall Jupiter ausgehen, d.h. als Stern nehmen wir die
Sonne und als (einzigen) Planeten Jupiter in der entsprechenden Entfernung.
Eine aktuelle Übersicht der seit 1995 entdeckten 777 extrasolare Planeten in
623 Systemen (Stand: 7. Juli 2012) ist im Anhang enthalten.
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2. Wie ndet man Planeten?
Direkter Nachweis des reektierten Lichts
Die naheliegendste Methode ist, direkt das vom Planeten reektierte Licht nachzuweisen. Allerdings erscheint der Planet im Vergleich zum Stern sehr lichtschwach.
1. a) Schätzen Sie ab, um welchen Faktor die Strahlung des Jupiter im
Vergleich zur Sonne schwächer ist.
HINWEIS: Jupiter sendet keine eigene Strahlung aus, sondern reektiert
nur die von der Sonne ausgesendete Strahlung. Berücksichtigen Sie die
Geometrie sowie die geometrische Albedo von Jupiter. Ist die Strahlung
eines Planeten direkt nachweisbar?
b)
Diese
Überlegungen
gelten
für
den
sichtbaren
Bereich.
Im
IR
kommt aber die thermische Strahlung des Planeten aufgrund seiner
Eigentemperatur hinzu, sodass ein direkter Nachweis leichter möglich
ist. Schätzen Sie das Helligkeitsverhältnis von Jupiter und Sonne im IR
anhand der Schwarzkörperkurven im Anhang auf S. 945 ab.
2. Neben dem groÿen Helligkeitskontrast wird ein direkter Nachweis durch
den kleinen Winkelabstand erschwert, unter dem der Abstand PlanetStern erscheint. Wie groÿ ist der Winkelabstand des Jupiter von der Sonne
aus 1 pc Entfernung, d.h. vom nächsten Stern aus gesehen? Wie groÿ ist
der Winkelabstand aus 5 pc Entfernung? Wäre Jupiter mit den heutigen
technischen Möglichkeiten nachweisbar? Wie viele Sternsysteme gibt es bis
5 pc Entfernung ? (Benutzen Sie dazu die Liste der 100 nächsten Systeme
im Anhang und die Umrechnung von Parallaxenwinkel in Entfernung)
Astrometrie
Da der gemeinsame Schwerpunkt des Systems Planet-Zentralstern in Ruhe
bleibt, verschiebt sich in Folge der Bahnbewegung des Planeten die Position
des Zentralsterns am Himmel.
3. Wie groÿ ist die Verschiebung der Position der Sonne aufgrund des Jupiters
aus einer Entfernung von 1 pc gesehen? Ist dieser Eekt leicht messbar?
(Zum Vergleich: Sterne haben auf Aufnahmen mit erdgebundenen Teleskopen einen Durchmesser von typischerweise einer Bogensekunde.)
Radialgeschwindigkeitseekte
Die Bahnbewegung eines Planeten bewirkt eine Änderung der Radialgeschwindigkeit des Zentralsterns. Benutzen Sie den Abstand des Sonnenmittelpunktes
zum Schwerpunkt des Systems Sonne-Jupiter aus 2. und die Umlaufzeit des
Jupiter von 11 Jahren.
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Astro-Praktikum R 7: Exoplaneten
4. Wie groÿ ist der Eekt im Vergleich zur Radialgeschwindigkeit von Sternen, wie sie etwa im beigefügten Artikel Laser Frequency Combs for
Astronomical Observations zu nden sind?
Weitere Methoden
5. Welche weiteren Methoden gibt es, um Exoplaneten zu nden und Eigenschaften von ihnen zu bestimmen? Lesen Sie hierzu die beigefügten
Artikel.
3. Leben auf anderen Planeten
Neben den bisher gefundenen Exoplaneten wird es sicherlich noch viele weitere
Exoplaneten und Sterne geben. In wie vielen dieser Planetensysteme aber gibt
es intelligentes Leben? Auf das ganze Universum bezogen, wird dies durch die
Drake Gleichung beschrieben:
N =R·A·B
(0.1)
N entspricht der Zahl extraterrestrischer, technologischer Zivilisation; R ist die
Anzahl der Sterne in unserer Galaxis; A beschreibt einen astronomischen und
B einen biologischen Faktor.
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R entspricht ca 10
Sterne in unserer Galaxie.
Der Faktor A kann geschrieben werden als
A = f1 f2 f3 .
Dabei ist
f1
die Zahl
aller Sterne, die nicht zu heiÿ bzw. zu kalt sind und nicht Mitglieder eines Doppelsternsystems sind.
f3
f2 ist der Anteil der Sterne mit erdähnlichen Planeten und
ist der Anteil dieser Planeten, die in der bewohnbaren Zone liegen.
B = f4 f5 f6 f7 . f4 steht für die Wahrscheinlichkeiten der Entwicklung einzelligen Lebens; f5 für die Entwicklung zu komplexen
Organismen (z.B. Säugetiere), f6 für die Entwicklung von Intelligenz und f7 für
B kann geschrieben werden als
die Wahrscheinlichkeit, dass dieses Leben Wissenschaft entdeckt und Technologie entwickelt. Häug wird
B
f4
= 0,1 und
f5 = f6 = f7 = 1
angenommen, sodass
= 0,1.
6. Wie viele Zivilisation gibt es, wenn wir für das Alter der Galaxie 10 Milliarden Jahre und für die Lebensdauer der Zivilisation 1 Million Jahre
annehmen? Wie groÿ ist diese Zahl, wenn wir pessimistischer (oder realistischer) sind und
f5 = f6 = f7 = 0.1 und als Lebensdauer einer Zivilisation
1000 Jahre annehmen?
Diese Überlegungen zeigen, dass der biologische Faktor extrem schwer abzuschätzen ist. Gegenwärtig wird N oder auch ETZ (Zahl Extraterrestrischer, Technologischer Zivilisationen) selbst von Optimisten nicht sehr
hoch eingeschätzt. Der Grund ist, dass einige Voraussetzungen gegeben
sein müssen, damit sich intelligentes Leben entwickeln kann:
ˆ
Eine Flüssigkeit - Wasser ist am besten geeignet - ist als Lebensraum notwendig, damit Reaktionen zwischen Molekülen stattnden;
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in Gasen und Festkörpern sind die Moleküle zu dünn verteilt oder
unbeweglich.
ˆ
Der Zentralstern darf nicht in einem Doppelsystem stehen (Gezeitenkräfte würden zu stark exzentrischen Bahnen mit extremen Temperaturschwankungen führen) und muss auch die richtige Masse haben
(Eine zu groÿe Masse fürt zu einer zu kurzen Lebenszeit des Sterns;
eine zu kleine Masse erfordert einen so geringen Abstand des Planeten zum Mutterstern, dass Gezeitenkräfte eine gebundene Rotation
und damit 2 extreme Klimazonen zur Folge hätten).
ˆ
Es müssen äuÿere Planeten, die Material der protoplanetaren Scheibe aufsammeln, existieren, weil sonst Einschläge von Asteroiden zu
Artensterben führen würde (es gilt heute als sicher, dass die Dinosaurier und andere Lebenswesen ausstarben, weil ein Asteroid mit 10
−1
km Durchmesser mit ca. 30000 km s
bei Yucatan/Mexico vor 65
Millionen Jahren einschlug).
ˆ
Eine Atmosphäre stabilisiert die Temperatur (Erde: CO2 wirkt als
Thermostat) und sorgt dafür, dass das Wasser üssig bleibt.
ˆ
Ein Mond verhindert allzu heftige Bewegungen der Planetenachse.
ˆ
Ein Van-Allen-Strahlungsgürtel schützt vor kosmischer Strahlung.
Wenn diese Voraussetzungen eintreen, kann sich Leben bilden. Die Weiterentwicklung zu intelligenten Spezies durch Evolution = Mutation +
Selektion ist unwahrscheinlich; auf der Erde gibt es viele Lebensformen,
von denen aber nur eine intelligent ist (zumindest glaubt sie das selbst).
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Die Wahrscheinlichkeit für das Bilden von Intelligenz wird auf 1:10 geschätzt! Und selbst wenn sich intelligente Lebensformen gebildet haben,
können sie durch nukleare oder kosmische Katastrophen (Asteroiden) wieder ausgelöscht werden. Nimmt man alle diese Faktoren zusammen (und
wahrscheinlich sind dies nicht alle!), dann ist das Entstehen von intelligentem Leben so selten, dass in unserer Galaxis wahrscheinlich keine weitere
Lebensform existiert.
7. Wieviele ETZ könnte es im ganzen Universum geben? Überlegen Sie weiter, ob man mit ETZs kommunizieren kann (Schätzen Sie die Laufzeit
elektromagnetischer Signale ab).
4. Hilfsmittel: Artikel
(siehe Mappe)
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