Exoplaneten-Detektion 2 - Lehrstuhl für Optik, Uni Erlangen
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Exoplaneten-Detektion 2 Jonas Reubelt FAU Erlangen-Nürnberg Juni 9, 2010 Jonas Reubelt Exoplanetendetektion Teil 2 Übersicht Astrometrie Gravitationslinseneekt Lichtlaufzeitvariation Transitmethode Zusammenfassung Jonas Reubelt Exoplanetendetektion Teil 2 Astrometrie - Sternwobbling Astrometrie geometrischer Teil der Astronomie: "Positionsastronomie" Messung von Gestirnspositionen und den Bewegungen früher: Hauptteil der Astronomie Astrometrie in der Exoplanetensuche: Sternwobbling Bewegung des Sterns um gemeinsamen Schwerpunkt mit Planet oder Planetensystem Schwerpunkt liegt meistens immernoch im inneren des Sterns ⇒ eiernde Bewegung des Sterns Anwendbar wo Radialgeschwindigkeits- und Transitmethode versagen: Planetenbahn senkrecht zur Sichtlinie zum Beobachter Jonas Reubelt Exoplanetendetektion Teil 2 Astrometrie: Geometrie Der Stern bewegt sich vom Beobachter aus scheinbar auf einer Ellipsenbahn Winkel unter dem die groÿe Halbachse erscheint: aP MP (1) ∆Θ∗ = MS d aP aus Radialgeschwindigkeitsmessung d durch Paralaxe MS durch Klassizierung ⇒ Berechnung von MP Jonas Reubelt Abbildung: exoplanet.de Exoplanetendetektion Teil 2 Astrometrie Abbildung: exoplanet.de Jonas Reubelt Exoplanetendetektion Teil 2 Gliese 876 Stern Masse: 0, 334 ± 0, 03M Radius: 0, 36R Gliese 876 b Masse: 2, 64MJ groÿe Halbachse: 0,211 AU Gliese 876 c Masse: 0, 83MJ groÿe Halbachse: 0,132 AU Gliese 876 d Masse: 0, 02MJ groÿe Halbachse: 0,021 AU Jonas Reubelt Exoplanetendetektion Teil 2 Gravitationslinseneekt Übersicht Prinzip, Einsteinradius Mikrogravitationslinseneekt, Lichtverstärkung Stern und Planet als zweiteilige Linse Lichtkurve Entdeckungen Jonas Reubelt Exoplanetendetektion Teil 2 Gravitationslinseneekt Abbildung: wikipedia.org Jonas Reubelt Exoplanetendetektion Teil 2 Gravitationslinseneekt Abbildung: wikipedia.org Jonas Reubelt Exoplanetendetektion Teil 2 Einsteinradius Ablenkung gegeben durch Allgemeine Relativitätstheorie: 4GM α= cb 2 (2) Einsteinradius s θE ≡ 4GM DLS c 2 DL DS θE = θ1 für θS = 0 Einsteinring falls Quelle direkt hinter der Linse Jonas Reubelt Exoplanetendetektion Teil 2 (3) Lichtverstärkung Vergröÿerung des Raumwinkels Der Raumwinkel, aus dem der Beobachter Licht von der Quelle sieht vergröÿert sich abhängig von der Position der Quelle in der Quellenebene Verstärkung Beobachteter Fluss: Produkt aus Oberächenhelligkeit und Raumwinkel bei gleichbleibender Oberächenhelligkeit folgt für die Verstärkung: A, 1 2 mit u = = ∆Ω1,2 ∆ΩS θS θE A=A 1 u Jonas Reubelt u +2 u2 + 4 2 + A2 = √ Exoplanetendetektion Teil 2 (4) (5) Lichtkurve Zeitliche Abhängigkeit der Verstärkung Zeitliche Position: u (t ) = q 2 (t − tmin )2 /tE2 + umin mit tE = θθ̇E die Zeit während die Quelle den Einsteinradius durchläuft tmin und umin : Zeit und Ort der gröÿten Annäherung Verstärkung: u2 + 2 A = A1 + A2 = √ 2 u u +4 Einsetzen in Verstärkung liefert zeitabhängige Lichtkurve Jonas Reubelt Exoplanetendetektion Teil 2 (6) (7) Lichtkurve Abbildung: scholarpedia.org Jonas Reubelt Exoplanetendetektion Teil 2 Planetensysteme als zweiteilige Gravitationslinsen Planetensystem −6 −3 P Massenverhältnis: M MS = µ, 10 .√µ . 10 ; Einsteinradius des Planeten: θP = µθE q DLS Einsteinradius war: θE ≡ 4GM c 2 DL DS Abschätzung von Planetenparametern µ = (θP /θE )2 Geschwindigkeit mit der die Linse an der Quelle vorbeiläuft groÿ im Vergleich zur Bahngeschwindigkeit des Planeten µ ≈ (tP /tE )2 Massenverhältnis bestimmbar aus der Dauer der Verstärkungen in der Lichtkurve Jonas Reubelt Exoplanetendetektion Teil 2 Lichtkurve Abbildung: corot.de Jonas Reubelt Exoplanetendetektion Teil 2 OGLE-05-390L Stern Abstand zur Sonne: 6500 pc scheinbare Helligkeit: 15,7 mag Masse: 0, 22M Planet Entdeckt 2005 Masse: 0, 017MJ ≈ 5, 5M⊕ groÿe Halbachse: 2,1 AU Umlaufzeit: 3500 d Jonas Reubelt Exoplanetendetektion Teil 2 OGLE-05-390L: Lichtkurve Abbildung: aip.de Jonas Reubelt Exoplanetendetektion Teil 2 MOA-2008-BLG-310-L b Stern Abstand zur Sonne: mehr als 6000 pc scheinbare Helligkeit: 23,38 mag Masse: 0, 67 ± 0, 14M Planet Entdeckt 2009 Masse: 0, 23 ± 0, 05MJ groÿe Halbachse: 1, 25 ± 0, 1 AU Jonas Reubelt Exoplanetendetektion Teil 2 Lichtlaufzeitvariation - Pulsarplaneten Pulsare schnell rotierende Neutronensterne nach Supernova gebildet Drehimpulserhaltung: sehr schnelle Rotation → Rotationsdauern: Sekunden bis zu Millisekunden senden Synchrotronstrahlung entlang der Dipolachse aus Leuchtturmeekt → Strahlungspulse Jonas Reubelt Abbildung: astro.psu.edu Exoplanetendetektion Teil 2 Lichtlaufzeitvariation - Pulsarplaneten Abbildung: wikipedia.org Jonas Reubelt Exoplanetendetektion Teil 2 Lichtlaufzeitvariation - Puls-Timing Pulsarplaneten Exoplaneten, die sich um Pulsare bewegen erste Exoplanetendetektion überhaupt Detektionsmöglichkeit durch Puls-Timing-Methode Puls-Timing-Methode Aus der Rotation um gemeinsamen Schwerpunkt folgt die ellipsenförmige Eigenbewegung des Neutronensterns. bewegt sich der Pulsar vom Beobachter weg wird die Pulsfrequenz reduziert bewegt er sich auf den Beobachter zu wird die Frequenz erhöht ⇒ Messbare Variation des Pulsspektrums Jonas Reubelt Exoplanetendetektion Teil 2 Lichtkurve eines Pulsars Abbildung: obach.info Jonas Reubelt Exoplanetendetektion Teil 2 Erster extrasolarer Planet - PSR 1257+12 (1992) Pulsar Abstand zur Sonne: 300 pc im Kugelsternhaufen M4 PSR 1257+12 b Masse: 7 · 10−5 MJ groÿe Halbachse: 0,19 AU PSR 1257+12 c Masse: 0, 013MJ groÿe Halbachse: 0,36 AU PSR 1257+12 d Masse: 0, 012MJ groÿe Halbachse: 0,46 AU Jonas Reubelt Exoplanetendetektion Teil 2 Doppelsternsystem mit Planet Abbildung: scienceblogs.de Jonas Reubelt Exoplanetendetektion Teil 2 Doppelsternsystem mit Planet Abbildung: scienceblogs.de Jonas Reubelt Exoplanetendetektion Teil 2 Lichtlaufzeitvariation -Timing Bedeckende Doppelsternsysteme Doppelsternsystem muss bedeckend sein primäre und sekundäre Helligkeitsminima gravitativer Einuss durch den Planet zusätzliche Eigenbewegung der Sterne Variation der Minimazeiten → zu früh → rechtzeitig → zu spät ... beste Möglichkeit um Planeten in Doppelsternsystemen zu entdecken Jonas Reubelt Exoplanetendetektion Teil 2 Lichtkurve Bedeckungsveränderlicher Abbildung: wissenschaft-online.de Jonas Reubelt Exoplanetendetektion Teil 2 Transitmethode Methodik, Physik Beobachtungswahrscheinlichkeit Transitzeit Helligketsvariation Probleme: Sternecken, streifende Bedeckung Kombination mit RV-Methode Klassizierung der Planeten Aktuelle Missionen: CoRoT, Kepler Jonas Reubelt Exoplanetendetektion Teil 2 Planetentransits Abbildung: exoplanet.de Jonas Reubelt Exoplanetendetektion Teil 2 Beobachtungswahrscheinlichkeit Inklination und Radien Beobachtung nur möglich, wenn der Planet den Stern mindestens teilweise verdeckt a · cos(i ) ≤ RS + RP (8) Beobachtungswahrscheinlichkeit cos(i ) verteilt zwischen 0 und 1 → Wahrscheinlichkeit folgt aus (1) R +R ptrans = S P a Jonas Reubelt ≈ RS a Exoplanetendetektion Teil 2 (9) Transitzeit genaue Rechnung Zeit während der begleitende Planet den Stern verdunkelt für cos(i ) = 0: ttrans = Näherung für a RS RP : P π arcsin ttrans = Jonas Reubelt RS + RP a P RS · π a Exoplanetendetektion Teil 2 (10) (11) Helligkeitsvariation Photometrische Messung Rückgang der Sternenhelligkeit aufgrund des Transits: ∆F F π RP2 BS = ≈ π RS2 BS + π RP2 BP Jonas Reubelt RP RS 2 Exoplanetendetektion Teil 2 (12) Solare Planeten aus groÿer Entfernung Planet Merkur Venus Erde Mars Jupiter Saturn Uranus Neptun Wahrsch. Transitzeit [h] Verdunklung 1, 2 · 10−2 8 1, 2 · 10−5 6, 4 · 10−3 11 7, 6 · 10−5 4, 7 · 10−3 13 8, 4 · 10−5 3, 1 · 10−3 16 2, 4 · 10−5 8, 9 · 10−4 30 1, 1 · 10−2 4, 9 · 10−4 40 7, 5 · 10−3 2, 4 · 10−4 57 1, 3 · 10−3 1, 5 · 10−4 71 1, 3 · 10−3 Jonas Reubelt Exoplanetendetektion Teil 2 Kombination mit RV-Methode Radialgeschwindigkeitsmethode Massebestimmung: MP · sin(i ) = vRadial · Transitmethode Radiusbestimmung: ∆F F ≈ RP RS MS T 2π G 2 13 2 (13) (14) Dichteberechnung 1 MS2 T 3 v · Radial 2π G MP ρP = 4 3 = 3 2 R π 4 ∆F 3 P 3 F RS π · sin(i ) Jonas Reubelt Exoplanetendetektion Teil 2 (15) Planetenklassizierung Einteilung Felsplaneten: erdähnliche Planeten Gasplaneten: jupiterähnliche Planeten Felsplaneten Hauptbestandteile: Wasser, Silikate und Eisen Dichten in unserem Sonnensystem: 3,9 bis 5,5 cmg 3 Gasplaneten Hauptbestandteile: Wassersto, Eis und Silikate Dichten in unserem Sonnensystem: 0,69 bis 1,6 cmg 3 Jonas Reubelt Exoplanetendetektion Teil 2 Problem: Sternecken Sternecken Variation der Sternenhelligkeit z.B. durch Sternecken Sonne: Veränderung um bis zu 0,15% Vergleich: Verdunklung beim Transit von Uranus über die Sonne: 0,13% Aber: oft deutlich längere Eigenrotationen von Sternen als übliche Transitzeiten Sonne: 24-31 Tage Jonas Reubelt Exoplanetendetektion Teil 2 Problem: Streifende Bedeckung Streifende Bedeckung Planet verdeckt den Stern nie mit voller Fläche Falsche Annahme für Planetenradius Falsche Berechnung und Klassizierung aber: Messung mit hohem Signal-Rausch Verhältnis ⇒ Transitdauer und Form der Lichtkurve ungewöhnlich für normale Transits Jonas Reubelt Exoplanetendetektion Teil 2 COROT Weltraumteleskop Missionsziele Asteroseismologie Exoplanetensuche Asteroseismologie Untersuchung der inneren Struktur von Sternen mit Hilfe regelmäÿiger Helligkeitsschwankungen Exoplanetensuche Suche mit Transitmethode Zeitgleiche Überwachung von 12.000 Sternen Jonas Reubelt Exoplanetendetektion Teil 2 Weltraumteleskop Abbildung: corot.de Jonas Reubelt Exoplanetendetektion Teil 2 Exoplanetensuche mit COROT Zielsterne schwach Leuchtende Sterne mit scheinbaren Helligkeiten zwischen 11 und 16 mag Beobachtung in Gebieten mit hoher Sterndichte → viele Sterne gleichzeitig beobachtbar Abbildung: corot.de Jonas Reubelt Exoplanetendetektion Teil 2 Lichtkurve von CoRoT-Exo-1b Abbildung: corot.de Jonas Reubelt Exoplanetendetektion Teil 2 CoRoT-Exo-1b entdeckt am 3. Mai 2007 Stern Abstand zur Erde: 460 ± 100 pc scheinbare Helligkeit: 13,6 mag Masse: 0, 95 ± 0, 15M Radius: 1, 1 ± 0, 05R Planet Masse aus RV-Methode: 1, 03 ± 0, 12MJ Halbachse: 0, 0254 ± 0, 0004 AU Radius: 1, 49 ± 0, 08RJ Inklination: 85, 1 ± 0, 5 deg Dichte: ρ ≈ 0, 4 cmg 3 Klassizierung: heiÿer jupiterähnlicher Gasriese Jonas Reubelt Exoplanetendetektion Teil 2 Supererde: CoRoT-7b entdeckt 2009 Stern Abstand zur Erde: 150 ± 20 pc scheinbare Helligkeit: 11,7 mag Masse: 0, 93 ± 0, 03M Radius: 0, 87 ± 0, 04R CoRoT-7b Masse aus RV-Methode: 0, 0151 ± 0, 0025MJ ≈ 4, 8M⊕ Halbachse: 0, 0172 ± 0, 00029 AU Radius: 0, 15 ± 0, 008RJ ≈ 1, 68R⊕ Inklination: 80, 1 ± 0, 3 deg Dichte: ρ ≈ 5, 6 cmg 3 Klassizierung: erdähnlicher Gesteinsplanet Jonas Reubelt Exoplanetendetektion Teil 2 Kepler: A Search for Habitable Planets Abbildung: stsci.edu Jonas Reubelt Exoplanetendetektion Teil 2 Kepler: Suchgebiet Abbildung: kepler.nasa.gov Jonas Reubelt Exoplanetendetektion Teil 2 Kepler: Erste Entdeckungen Abbildung: kepler.nasa.gov Jonas Reubelt Exoplanetendetektion Teil 2 Kepler: Lichtkurven Abbildung: kepler.nasa.gov Jonas Reubelt Exoplanetendetektion Teil 2 Zusammenfassung: Bisher gefundene Exoplaneten Detektionsmethode Astrometrie direkte Abbildung Radialgeschwindigkeit Transits Mikrolinseneekt Lichtlaufzeitvariation Abbildung: wikipedia.org Jonas Reubelt Exoplanetendetektion Teil 2 Zusammenfassung Anzahl der gefundenen Planeten insgesamt gefundene Planeten: 455 durch Radialgeschwindigkeit und Astrometrie: 425 durch Transitmethode: 81 durch Microlensing: 10 durch Bildgebende Verfahren: 12 durch Lichtlaufzeitvariation: 8 Jonas Reubelt Exoplanetendetektion Teil 2 Quellen A. Quirrenbach: Detection and Characterization of Extrasolar Planets H.Kartunen: Fundamental Astronomy exoplanet.eu exoplanet.de corot.de kepler.nasa.gov planeten.ch wikipedia.org scholarpedia.org scienceblogs.de stsci.edu aip.de astro.psu.edu obach.info wissenschaft-online.de Jonas Reubelt Exoplanetendetektion Teil 2
