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] Forschungsplattform ExoLife – Schwerpunktseminar Astrobiologie: Habitabilitätskriterien für (Exo)planeten 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 Forschungsplattform ExoLife – Schwerpunktseminar Astrobiologie: Habitabilitätskriterien für (Exo)planeten 5 1 - Beobachtungskampagnen für Planeten - CoRoT CoRoT Convection Rotation and planetary Transits SOMMER WINTER Forschungsplattform ExoLife – Schwerpunktseminar Astrobiologie: Habitabilitätskriterien für (Exo)planeten 6 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 Forschungsplattform ExoLife – Schwerpunktseminar Astrobiologie: Habitabilitätskriterien für (Exo)planeten 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] Forschungsplattform ExoLife – Schwerpunktseminar Astrobiologie: Habitabilitätskriterien für (Exo)planeten 8 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 Forschungsplattform ExoLife – Schwerpunktseminar Astrobiologie: Habitabilitätskriterien für (Exo)planeten 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] Forschungsplattform ExoLife – Schwerpunktseminar Astrobiologie: Habitabilitätskriterien für (Exo)planeten 10 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 Forschungsplattform ExoLife – Schwerpunktseminar Astrobiologie: Habitabilitätskriterien für (Exo)planeten 11 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] Forschungsplattform ExoLife – Schwerpunktseminar Astrobiologie: Habitabilitätskriterien für (Exo)planeten 12 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.: - Forschungsplattform ExoLife – Schwerpunktseminar Astrobiologie: Habitabilitätskriterien für (Exo)planeten 13 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] Forschungsplattform ExoLife – Schwerpunktseminar Astrobiologie: Habitabilitätskriterien für (Exo)planeten 14 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.: - Forschungsplattform ExoLife – Schwerpunktseminar Astrobiologie: Habitabilitätskriterien für (Exo)planeten 15 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 Forschungsplattform ExoLife – Schwerpunktseminar Astrobiologie: Habitabilitätskriterien für (Exo)planeten 16 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.: - Forschungsplattform ExoLife – Schwerpunktseminar Astrobiologie: Habitabilitätskriterien für (Exo)planeten 17 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.: - Forschungsplattform ExoLife – Schwerpunktseminar Astrobiologie: Habitabilitätskriterien für (Exo)planeten 18 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 Forschungsplattform ExoLife – Schwerpunktseminar Astrobiologie: Habitabilitätskriterien für (Exo)planeten 19 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 Forschungsplattform ExoLife – Schwerpunktseminar Astrobiologie: Habitabilitätskriterien für (Exo)planeten 20 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 Forschungsplattform ExoLife – Schwerpunktseminar Astrobiologie: Habitabilitätskriterien für (Exo)planeten 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 Forschungsplattform ExoLife – Schwerpunktseminar Astrobiologie: Habitabilitätskriterien für (Exo)planeten 22 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 28 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 30 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 - Forschungsplattform ExoLife – Schwerpunktseminar Astrobiologie: Habitabilitätskriterien für (Exo)planeten 31 4 – Atmosphärenmodelle – HD 80606b, HD 17156b Ergebnisse • Temperaturschichtung fixer Breitengrad, Position im Orbit (Zeitschritt) durch graue Linien dargestellt [27] Forschungsplattform ExoLife – Schwerpunktseminar Astrobiologie: Habitabilitätskriterien für (Exo)planeten 32 16 Beobachtungskampagnen für Exoplaneten 13.09.2011 4 – Atmosphärenmodelle – HD 80606b, HD 17156b Ergebnisse • Temperaturschichtung für bestimmte Zeitschritte HD 17156b [27] Forschungsplattform ExoLife – Schwerpunktseminar Astrobiologie: Habitabilitätskriterien für (Exo)planeten 33 4 – Atmosphärenmodelle – HD 80606b, HD 17156b Ergebnisse • Temperaturschichtung für bestimmte Zeitschritte HD 80606b [27] Forschungsplattform ExoLife – Schwerpunktseminar Astrobiologie: Habitabilitätskriterien für (Exo)planeten 34 17 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 35 Quellen… • • • • • • • • • • • • • [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 37 19