Info: diese Präsentation beinhaltet sowohl reale Himmelsaufnahmen

Info: diese Präsentation beinhaltet sowohl reale
Himmelsaufnahmen als auch künstlerische Darstellungen
Die Jagd nach
fremden Welten
Image Credit Yuri Beletsky
Stefan Hippler
Max-Planck-Institut
für Astronomie,
Heidelberg
Robert-Mayer-Sternwarte
Heilbronn November 2010
Übersicht
• Exoplaneten: von der reinen Vorstellung zu echten
Photographien
• Wie entstehen (Exo)Planeten
• Wie werden Exoplaneten gefunden und untersucht
• Ausblick
Frühe Aufzeichnungen vor ca. 2300 Jahren
Hauptwerk: 37 Bücher Peri physeos “Über die Natur”
Zweite Hälfte des
16. Jahrhunderts
Innumerable suns exist;
innumerable earths revolve
around these suns in a manner
similar to the way the seven
planets revolve around our sun.
Living beings inhabit these
worlds.
Giordano Bruno, italienischer Priester, Dichter und Philosoph
im 16. Jahrhundert
1961
Science
Fiction
1656 Cyrano de Bergerac
1752 Voltaire
1897 Kurd Laßwitz
1907 Hans Dominik
Perry Rhodan Titelbild 2204
bei Pabel-Moewig Verlag anfragen
Illustration: Alfred Kelsner
Pabel-Moewig Verlag
Perry
Rhodan
Serie
Der Anfang der Teleskop-Astronomie
Galileis Teleskop hatte
eine Vergrößerung
von ~ 14
•
Hans Lipperhey, Brillenhersteller
aus den Niederlanden,
konstruierte das erste Teleskop
(Refraktor) im Jahr 1608
•
Galileo Galileis Entdeckung
einiger Jupitermonde;
Galileischen Monde (1610); die
ersten Himmelsobjekte, die
nicht die Erde umkreisten
(geozentrisches Weltbild?).
•
Johannes Kepler entdeckte die 3
Gesetze der Planetenbewegung
(1+2: 1609, 3: 1618)
1. Kepler-Gesetz
Die Planeten bewegen sich auf elliptischen Bahnen, in deren einem
Brennpunkt die Sonne steht.
2. Kepler-Gesetz
Ein von der Sonne zum Planeten gezogener "Fahrstrahl" überstreicht in
gleichen Zeiten gleich große Flächen.
3. Kepler-Gesetz
Die Quadrate der Umlaufzeiten zweier Planeten verhalten sich wie die
dritten Potenzen (Kuben) der großen Bahnhalbachsen.
Jupiter Aufnahmen mit
einer Videokamera
Calar Alto 2.2m, June 2006
Jupiter Aufnahmen mit
einer Videokamera
Calar Alto 2.2m, June 2006
Jupiter Aufnahmen mit
einer Videokamera
Calar Alto 2.2m, June 2006
Galileische Monde mit einem 200mm Objektiv beobachtet
Orbitradius von Europa ~ 0.7 Mio km
Distanz ~ 5 AU ~ 750 Mio km
Verhältnis ~ 1/1000 ~ 200” (Auge: 60”)
400 Jahre
später
400 Jahre
später
400 Jahre
später
400 Jahre
später
400 Jahre
später
Image credit: Babak Tafreshi & P-M Heden
HR 8799 (2008)
9
10
Orbitradius des Begleiters ‘d’ ~ 24 AU ~ 3.6 x
km
Distanz ~ 130 Lichtjahre ~ 1.2 x 1015 km
Verhältnis ~ 3/1000000 ~ 0.6” (Auge 60”, Atmosphäre 1”)
Fomalhaut in 25 Lichtjahre Entfernung
Paul Kalas et al. 2008
Definitionen
Ein Himmelskörper ist ein Planet, wenn er …
■… sich auf einer Bahn um die Sonne befindet und
■… über eine ausreichende Masse verfügt, um
durch seine Eigengravitation eine annähernd runde
Form (hydrostatisches Gleichgewicht) zu bilden und
■… die Umgebung seiner Bahn bereinigt hat.
Ein Exoplanet oder Extrasolarer Planet ist ein Planet
außerhalb des Sonnensystems, der einen anderen Stern als
die Sonne umkreist.
Schlüsselfragen
Was ist die Natur von
Exoplaneten, wie facettenreich sind
Exoplaneten-Systeme?
Wie entstehen überhaupt
Planeten?
Die Hauptfrage: Sind wir alleine im Universum?
Übersicht
• Exoplaneten: von der reinen Vorstellung zu echten
Photographien
• Wie entstehen (Exo)Planeten
• Wie werden Exoplaneten gefunden und untersucht
• Ausblick
Entstehung von Sternen und Planeten auf einem Blick
Entstehung von Sternen und Planeten auf einem Blick
Cloud
Entstehung von Sternen und Planeten auf einem Blick
Core
Cloud
Entstehung von Sternen und Planeten auf einem Blick
Protostar
Core
Cloud
Entstehung von Sternen und Planeten auf einem Blick
Disk &
envelope
Protostar
Core
Cloud
Entstehung von Sternen und Planeten auf einem Blick
Planet formation
Disk &
envelope
Protostar
Core
Cloud
Entstehung von Sternen und Planeten auf einem Blick
Size: 7 decades
Class I
YSO
Protostar
Cloud
Planet formation
Disk &
envelope
Pre-stellar
Core
Class II
YSO
Density: 21 decades
Class 0
Main-sequence star
with planetary system
Das Standardmodell der Planetenentsehung:
Wie mache ich einen Planeten?
Schritt für Schritt
Geburtsstätte von Sternen: Molekülwolken
Ophiuchus Giant Molecular Cloud (by Loke Tan)
Geburtsstätte von Sternen: Molekülwolken
Ophiuchus Giant Molecular Cloud (by Loke Tan)
Geburtsstätte von Sternen: Molekülwolken
Ophiuchus Giant Molecular Cloud (by Loke Tan)
Serpens
Lupus 1
Lupus V
Cha
Lupus 1II
Lupus Complex
Orion B
Sterne und Planeten entstehen in
Molekülwolken:
ein Forschungsschwerpunkt am
MPIA
L204
L1333
Coalsack
Cha I
Orion A
CrA
Taurus
Ophiuchus
L1228
Jouni Kainulainen, MPIA
L1719
Musca
Pipe
L483
Kernschein entdeckt: MPIA PR 23.9.2010
Die Molekülwolke CB 244 im Sternbild
Cepheus, rund 650 Lichtjahre entfernt.
Das Licht der Milchstrasse wird von den
Molekülwolken unterschiedlich gestreut.
Optisches Licht wird an submikrometer großen Teilchen
geblockt.
Infrarot Licht wird an
ca. 1 Mikrometer
großen Teilchen
gestreut.
Kollaps einer Molekülwolke in einer Computersimulation
Größe der Wolke: 100 AU, Größe des Wolkenkerns nach dem Kollaps: 5 AU
Kollaps einer Molekülwolke in einer Computersimulation
Größe der Wolke: 100 AU, Größe des Wolkenkerns nach dem Kollaps: 5 AU
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Weitere Zutaten: Staub und Gas
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Hubble/NICMOS Aufnahme
Computer Modell
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IRAS 04302+2247 ist ein Stern der von W
einer
Staubscheibe
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verdeckt wird und den ihn umgebenden Nebel anstrahlt.
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Die Staub- und Gasscheibe hat einen Durchmesser von 130
Milliarden km und eine Masse vergleichbar dem solaren Urnebel.
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Die hellen “Haarbüschel” deuten auf Staub und Gas
die auf die
Scheibe fallen.
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Künstlerische
Darstellung
eines Protosterns
Künstlerische
Darstellung
einer Staubscheibe
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Die ersten 100000 Jahre: von Mikrometer großen
Staubteilchen zu Planetesimalen(10-1000km)
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Koagulation:
Brownsche
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Bewegung, Sedimentation,
Drift, “Sticking”
Bildung der Planetesimale:
turbulente Verdichtung und
Gravitation
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~ 1 Meter Barriere!
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Von Planetesimalen zu Planeten innerhalb 1 Mio Jahre
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7
Akkretion der Gasteilchen:
Abkühlung und Kontraktion
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Bildung des Kerns:
Gravitation
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Planet ist nach 1-10 Mio Jahren fertig, kann im System
migrieren und mit anderen Körpern wechselwirken
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Nachweisbare Exoplaneten
(Doppler-Methode, Transits,
Photoaufnahmen, ...
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Migration und resonante
Wechselwirkung
Ein paar Daten zu Exoplaneten (1)
PSR B1257+12a+b, die ersten
Exoplaneten (2) wurden um einen
Pulsar im Jahr 1992 von Aleksander
Wolszczan gefunden.
51 Pegasi b ist der erste entdeckte Exoplanet
um einen Stern ähnlich unserer Sonne.
Umlaufzeit 4 Tage. Typ: hot Jupiter auch roaster
genannt (1995). Michel Mayor, Didier Queloz.
Das 55 Cancri System.
Eines der größten
Planetensysteme mit 5
Planeten (2002 - 2007)
Ein paar Daten zu Exoplaneten (II)
TW Hydrae, der jüngste
Exoplanet gefunden 2007
(Heidelberg). Umstritten.
Exoplaneten gefunden am
MPIA: >13.
Corot-7b entdeckt im
September 2009; Der erste
Gesteinsplanet.
Ein paar Daten zu Exoplaneten (III)
Herbst 2010:
~500 Exoplaneten entdeckt
http://exoplanet.eu
Sommer 2010:
Dimitar Sasselow kündigt hunderte
Erdähnliche Planeten an:
http://www.ted.com/talks
Ein paar Daten zu Exoplaneten (III)
Herbst 2010:
~500 Exoplaneten entdeckt
http://exoplanet.eu
Sommer 2010:
Dimitar Sasselow kündigt hunderte
Erdähnliche Planeten an:
http://www.ted.com/talks
Die bewohnbare Zone
Die bewohnbare Zone
g
f
Übersicht
• Exoplaneten: von der reinen Vorstellung zu echten
Photographien
• Wie entstehen (Exo)Planeten
• Wie werden Exoplaneten gefunden und untersucht
• Ausblick
Wie findet man Exoplaneten?
Instrumente und Methoden um Exoplaneten
zu finden und zu untersuchen
Instrumente und Methoden um Exoplaneten
zu finden und zu untersuchen
Instrumente und Methoden um Exoplaneten
zu finden und zu untersuchen
Instrumente und Methoden um Exoplaneten
zu finden und zu untersuchen
Instrumente und Methoden um Exoplaneten
zu finden und zu untersuchen
Direkte Beobachtungsmethoden
• Bildaufnahme mit Adaptiver Optik und ADI
• Bildaufnahme mit Koronografen
• Nulling-Interferometrie
• Hinfliegen
T Tauri beobachtet mit NACO
Distanz: 460 Lichtjahre
2008
Adaptive Optik
Das
Kontrastproblem
Angular Differential Imaging (ADI)
Angular Differential Imaging (ADI)
August 2009: Begleiter um GJ 758 gefunden
May
ca. 50 Lichtjahre entfernt
August
August 2009: Begleiter um GJ 758 gefunden
November
May
3σ
ca. 50 Lichtjahre entfernt
August
Positive Resonanz in den Medien
trace of planet c spectra?
Volltreffer bei der Planetenjagd:
Astronomen aus dem Max-Planckb
Institut für Astronomie haben einen
lichtschwachen Himmelskörper c
entdeckt und direkt abgebildet, der
den Stern GJ 758 umläuft. Die
d
geschätzte Masse liegt zwischen 10
und 40 Jupitermassen. Demnach
handelt es sich bei dem Fund
entweder um einen Riesenplaneten
oder um einen Braunen Zwerg, eine
verhinderte Sonne. Eines ist sicher:
Mit einer Temperatur von etwa 330
Grad Celsius ist GJ 758 B der kälteste,
jemals direkt abgebildete Begleiter
eines sonnenähnlichen Sterns
(arXiv.org/abs/0911.1127).
Positive Resonanz in den Medien
trace of planet c spectra?
Volltreffer bei der Planetenjagd:
Astronomen aus dem Max-Planckb
Institut für Astronomie haben einen
lichtschwachen Himmelskörper c
entdeckt und direkt abgebildet, der
den Stern GJ 758 umläuft. Die
d
geschätzte Masse liegt zwischen 10
und 40 Jupitermassen. Demnach
handelt es sich bei dem Fund
entweder um einen Riesenplaneten
oder um einen Braunen Zwerg, eine
verhinderte Sonne. Eines ist sicher:
Mit einer Temperatur von etwa 330
Grad Celsius ist GJ 758 B der kälteste,
jemals direkt abgebildete Begleiter
eines sonnenähnlichen Sterns
(arXiv.org/abs/0911.1127).
Positive Resonanz in den Medien
trace of planet c spectra?
Volltreffer bei der Planetenjagd:
Astronomen aus dem Max-Planckb
Institut für Astronomie haben einen
lichtschwachen Himmelskörper c
entdeckt und direkt abgebildet, der
den Stern GJ 758 umläuft. Die
d
geschätzte Masse liegt zwischen 10
und 40 Jupitermassen. Demnach
handelt es sich bei dem Fund
entweder um einen Riesenplaneten
oder um einen Braunen Zwerg, eine
verhinderte Sonne. Eines ist sicher:
Mit einer Temperatur von etwa 330
Grad Celsius ist GJ 758 B der kälteste,
jemals direkt abgebildete Begleiter
eines sonnenähnlichen Sterns
(arXiv.org/abs/0911.1127).
Indirekte Beobachtungsmethoden
• Doppler Spektroskopie
(Radialgeschwindigkeitsmethode, RV)
• Transitmethode
• Astrometrie
• Pulsar Zeitmessungen
• Microlensing - Lichtvariationen von
Hintergrundsternen durch ein in der Sichtlinie
liegendes Planetensystem
Die Doppler
Spektroskopie
or
Radial velocity
(RV)
Technik
51 Pegasi
Michel Mayor &
Didier Queloz
Nature 378 (1995)
Entfernung:
~50 Lichtjahre
Masse: 0.47 M_jup * sin(i)
Periode: 4.23 Tage
Orbitradius: 0.05 AU
Typ: ROASTER
Radialgeschwindigkeit K* der Sonne
verursacht durch Jupiter mit P~12 Jahre,
e=0 und i=90 Grad?
Radialgeschwindigkeit K* der
Sonne verursacht durch die Erde?
Radialgeschwindigkeit K* der Sonne ~12.4 m/s ~ 45 km/h
verursacht durch Jupiter mit P~12 Jahre,
e=0 und i=90 Grad?
Radialgeschwindigkeit K* der
Sonne verursacht durch die Erde?
Radialgeschwindigkeit K* der Sonne ~12.4 m/s ~ 45 km/h
verursacht durch Jupiter mit P~12 Jahre,
e=0 und i=90 Grad?
Radialgeschwindigkeit K* der
~0.09 m/s ~ 0.3 km/h Sonne verursacht durch die Erde?
Indirekte Beobachtungsmethoden
• Doppler Spektroskopie
(Radialgeschwindigkeitsmethode, RV)
• Transitmethode
• Astrometrie
• Pulsar Zeitmessungen
• Microlensing - Lichtvariationen von
Hintergrundsternen durch ein in der Sichtlinie
liegendes Planetensystem
Transitbeobachtungen
Helligkeitsvariationen aufgrund der Bedeckung
des Sterns durch z.B. einen Planeten
Messwerte die aus
Transitbeobachtungen
gewonnen werden
Transit Messwerte:
Transit Tiefe dF = (Rp/R*)2 ->
Radius Rp
(dF ~ 1% Jupiter/Sonne)
Periode P = (4π2a3/GM*)1/2 ->
Orbit Radius a
Transit Dauer (tflat/tT)2=
([1-Rp/R*]2-[(a/R*) cos i]2)
([1+Rp/R*]2-[(a/R*) cos i]2) ->
Inklinationswinkel i (wenn R*,
M* bekannt sind)
i+RV -> Masse und Dichte des
Planeten
Sekundäre Transit Spektroskopie
Isolierung des Spektrums eines Planeten
Wasser Signatur
Spektrum der Tagesseite von HD 189733b
Hot Jupiter in 63 Lichtjahren Entfernung; Grillmair 2008
Ausblick
Forschungsprojekte am MPIA
•
HAT-South (photometry, transits) * Namibia, Australia,
Chile
•
•
•
•
•
•
•
Pan-Starrs (photometry) * Maui
SERAM (doppler spectroscopy, RV) * La Silla
ESPRI (astrometry, 10-20 µarcsec level) * Paranal
SPHERE (imaging, spectroscopy, high contrast) * Paranal
GRAVITY (astrometry, 10 µarcsec level) * Paranal
SEEDS (high contrast imaging) * Mauna Kea
METIS (imaging, spectroscopy, high contrast) * Armazones
Weitere Infos unter: www.MPIA.de
Es muss nicht immer EXO sein
Photo credit: Gerhard Hüdepohl
Ende