Suche nach ExoPlaneten
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Auf der Suche nach der zweiten Erde Max Camenzind Akademie Heidelberg @ 4-2014 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 Planeten? alpha Centauri Doppelstern Uninteressant! Zu jung! Zur Geschichte der P-Suche • Die Vorstellung, dass unser Sonnensystem nicht einmalig ist, ist schon alt, z.B. Epikur (341-270 v. Chr.): • „Es gibt keinen Grund, warum es nicht eine unendliche Anzahl von anderen Welten geben sollte.“ • Dagegen stand die dogmatische Vorstellung von Aristoteles (384-322 v.Chr.): • „Es kann nicht mehr als eine Welt geben.“ • Erst Giordano Bruno hat im 16. Jh. die Vorstellung wieder aufgegriffen, dass es viele Sonnen mit Planetensystemen geben könnte Scheiterhaufen. Zur Geschichte der P-Suche 2 • Kurz nach der Entwicklung des Teleskops begann die Suche nach extrasolaren Planeten (Christian Huygens 1698). • Aus über 2000 Photoplatten aus der Zeit 1916-1969 schließt van de Kamp 1969 auf die Existenz von einem bzw. zwei jupiterähnlichen Begleitern um Barnards Stern (AJ 74, 238; AJ 74, 757). • Die Beobachtungen wurden nicht bestätigt. • D.W. Latham et al. entdecken 1989 einen massearmen Begleiter von HD114762 (Nature 339, 38), der möglicherweise knapp unter der Grenzmasse für Planeten liegt. • Das Objekt wurde noch nicht als Planet bezeichnet. Zur Geschichte der P-Suche 3 • Wolszczan & Frail 1992 entdecken „Planeten“ um einen Pulsar (Nature 355, 145). eher exotisch! • Mayor & Queloz (Universität Genf) entdecken 1995 den einen Planeten um den sonnenähnlichen Stern 51 Pegasi (Nature 378, 355) jedoch bereits 1989 • 2014: über 870 Planeten bekannt + 2740 Kandidaten 3 J. Kepler-Beobachtung. Der erste ExoPlanet P = 905 d Campbell et al. 1988; Hatzes et al. 2003 ExoPlanet g Ceph mit 2 Sonnen Unsere Themen • • • • • • • • • • • Wonach suchen wir ? Unser Planetensystem als Vergleich. Wie kann man Planeten finden? Direkte Abbildung ist selten möglich. Radialgeschwindigkeitsmethode Transit-Methode Ergebnisse zu Kepler Methode der Mikrolinsen eher selten. Wie ist der Stand Anfang 2014? 1700 ExoP Hat jeder Stern ein Planetensystem ? 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 Planetensysteme d < 300 pc Innerhalb von 300 LJahren gibt es ~1 Mio Sterne Ganze Galaxis: 300 Mrd Sterne 25.000 LJahre 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 Super-Erden fehlen im SS Radius: 1,25 – 2,2 Erdradien Masse: 2,0 – 10 Erdmassen Was ist eine „Super-Erde“ ? • Wir definieren Erd-ähnlich zwischen 0,5 and 2,0 Erdmassen (0,8 RE to 1,3 RE) und große terrestrische Planeten als zwischen 2 to 10 Erdmassen (1,3 RE to 2,2 RE) Super-Erden. • Planeten mit Massen unter 0,5 ME nahe der HZ verlieren wahrscheinlich ihre lebenswichtigen Atmosphären wegen ihrer geringen Gravitation und des Fehlens von Plattentektonik. • Planeten mit über 10 ME (R>2,2 RE) werden als „giant Cores“ betrachtet (Uranus und Neptun). Diese Planeten attraktieren Wasserstoff-Helium Atmosphären und werden daher zu Gas-Riesen wie Jupiter und Saturn. Erde Mittlere Dichte = 5,515 g/cm³ - Super-Erde Mittlere Dichte < 5,515 g/cm³ Neptun-artige Planeten MNeptun = 17 ME = MJ/18 Neptun Atmosphäre: Wolken Atmosphäre: H, He, CH4 Mantel: Wasser, Ammoniak Kern: Rocky, Erd-ähnlich Mittlere Dichte = 1,638 g/cm³ = Super-Erde von ~1,5 ME Jupiterartige Planeten MJupiter = 318 ME = 0,001 MS Differentell rotierende Streifen Jupiter vom Südpol Saturn Sturm auf Saturn ~ alle 20 Jahre Atmosphäre Wasserstoffgas Flüssiger Wasserstoff Metallischer Wasserstoff Gesteinskern = Super-Erde von ~ 15 ME Mittlere Dichte = 1,326 g/cm³ Woher kennt man den inneren Aufbau? • Über den inneren Aufbau von (Exo-)Planeten weiß man im Grunde genommen nur sehr wenig. Man ist auf theoretische Modelle angewiesen, die beispielsweise Erkenntnisse über die Planeten unseres Sonnensystems sowie Labordaten physikalischer Materialeigenschaften berücksichtigen. Im günstigsten Fall kennt man von einem extrasolaren Planeten dessen Masse und dessen Radius. Daraus lässt sich dann eine mittlere Dichte des Planeten berechnen. Mit diesen Informationen gehen die Wissenschaftler dann ihre Modellrechnungen von Planeten mit unterschiedlicher Masse und verschiedenen Zusammensetzungen durch und suchen nach einer Kombination, die auf die beobachteten Werte passt. Was ist Habitable Zone? Wasser Zu heiß Zu kalt für Leben Was ist HZ? Sterntemperatur Teff ~ M1/2 Lisa Kaltenegger 2013 267,3 d 122,4 d 18,2 d 12,4 d 5,7 d Leuchtkraft in % Sonnenleuchtkraft K2V Entscheidend Solarkonstante! Solarkonstante in % der Erd-Solarkonstante Zusammenfassung 1. Teil • Planeten entstehen bei (fast) allen massearmen Sternen auch unsere Nachbarn besitzen Planeten. Welches ist der erste entdeckte Planet? • Wann spricht man von Planeten? Massengrenze von ???? Jupitermassen. • Was versteht man unter der Habitablen Zone eines Planetensystems? • Was ist die Solarkonstante? • Welche Klassen von Planeten unterscheidet man heute? Was sind Super-Erden? • Warum leuchten Planeten? Methoden Planetensuche • Direktabbildung schwierig – Interferometrie Zukunft • Astrometrie schwierig • Dopplerspektroskopie (673) • Photometrie – Sternbedeckungen (3845 Transits ) – Reflektion – Microlensing (8) • [Timing (nur 2 Entdeckungen)] – Pulsare, Weiße Zwerge – Timing residuals ExoPlaneten-Suche bis 2013 Transit-Methode Mikrolensing Dopplermethode ExoPlaneten-Suche bis 2014.4 Transit-Methode 1696 Planeten um 1027 Sterne 21.267.578 Transit Lichtkurven Dopplermethode Direkte Methode nur bei Braunen Zwergen Stern muss lichtschwach sein Doppler-Methode Doppler-Verschiebung der Fraunhofer-Linien durch Sternbewegung um den Schwerpunkt Schwerpunkt Planetensystem Bewegung um Schwerpunkt Bahn von der Seite: Doppler-Verschiebung optimal messbar Bahn von oben: Doppler-Verschiebung nicht messbar. Bewegung Schwerpunkt Sonne Nur Jupiter und Saturn könnten nachgewiesen werden! Dopplermessungen Beispiele Mayor & Queloz 1995, Nature 378, 355 51 Peg – Jupiter-artiger Planet Dopplermessungen • Technologische Grenze heute bei etwa 0,5 m/s (HARPS) • ~0,21 sin i MJ in 1 AE Entfernung bei 1 M-Stern • Physikalische Grenze durch Geschwindigkeitsfelder auf dem Stern (Konvektion, Turbulenz, Pulsation). • Nur Massenuntergrenze bei unbekanntem Inklinationswinkel. • Bevorzugt enge Systeme, jedoch heute auch Super-Erden. g Cephei 1989; 51 Pegasi, Mayor & Queloz 1995 (Nature 378, 355) • Sehr erfolgreiche Methode ~700 Planeten gefunden. • Ist im wesentlichen auf G-K-M Sterne beschränkt. 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 Beispiel: Gliese 436b Wo finde ich Daten zu ExoPlaneten? Archiv exoplanets.org Instrumentelle Grenze Histo Doppler-Amplituden Histo Planetenmassen M sini Neptun-artige Jupiter-artige Bahnen sind i.a. elliptisch Dopplerkurven P, K, e, w RV 14 Her Sterne mehrere Planeten Butler et al. 1999, ApJ 526, 916 Transit - Photometrie • Periodische Helligkeitsänderung aus Sternbedeckung. • Helligkeitsänderung ist proportional zum Radiusverhältnis2 • (Rpl/R*)2 ~ 0,001 • Begrenzt durch intrinsische Sternvariationen und Erdatmosphäre. • sin i in engen Grenzen bekannt, i ~ 90 Grad . • Bevorzugt enge Systeme. • Kann mit Dopplerspektroskopie kombiniert werden, d.h. daraus kann die Dichte abgeleitet werden. • Erster Transit-Planet (Charbonneau & Brown 2000, ApJ Letter 529, 45; Henry et al. 2000, ApJ Letter 529, 41) • 2 Planeten gefunden (Konacki et al, 2003; Dreizler et al. 2003). 1999 - Der erste Transit-Planet HD 209458 V = 7,6 mag 1,6% “Einsenkung” dauert 3 Stunden alle 3,5 Tage STARE: 10 cm Teleskop Charbonneau & Brown (2000) HST/STIS HD 209458 Transits Brown et al. (2001) Rp = 1,35 ± 0,06 RJup i = 86o,6 ± 0o,2 1% Tenerifa SuperWASP 90 Jupiters mit Perioden von d Photometrie von Transits • Periodische Helligkeitsänderung durch Sternbedeckung • Helligkeitsänderung ist proportional zum Radiusverhältnis2 (Rpl/R*)2 ~ 0,01 – 0,0001 SuperWASP Nord (Wide Angle Search for Planets) La Palma SuperWASP Süd (Wide Angle Search for Planets) South Africa Planetenmahlzeit – P = 1,09 d Parameter aus Transit-Messung Transit Frequenz ergibt BAHN-GRÖSSE a Bahnachse zusammen mit Stern-Temperatur sagt uns, ob der Planet in der Habitablen-Zone. Transit Dauer, Tiefe, PLANETENRADIUS Radius und Masse (mit Doppler-Messung des “wobble”) DICHTE Dichte des Planeten chemische Zusammensetzung. CoRoT COnvection ROtation and planetary Transits 2006 – 2012 kleines Teleskop CoRoT-1b – 3b „Hot Jupiter“ Heiße Jupiter CoRoT 2b: Masse = 3,31 MJ Radius = 1,43 RJ Temp = 1537 K CoRoT 1b: Masse = 1,03 MJ Radius = 1,49 RJ Temp = 1898 K CoRoT-3b CoRoT 3b: Masse = 21,66 MJ Radius = 1,01 RJ Temp = 1537 K CoRoT-7b 1. Super-Erde Masse = 4,8 ME Radius = 1,5 RE Temp ~ 1500 K Stern : G9V Temp = 5270 K Alter = 1,2–2,3 Gyr CoRoT Transit Depths Nur 6% aller Transits haben sich als Planeten herausgestellt. CoRoT Sterne und ihre Planeten Kepler Mission NASA 2009 - 2013 A Search for Habitable Planets Kepler Mission March 6, 2009 Kepler: 1,4-m Schmidt Teleskop • Kepler ist im wesentlichen ein Schmidt Teleskop mit 0,95-Meter Apertur und 105 deg² Field-of-View (FOV). .. ist ausgerichtet und misst Daten von einer einzigen Gruppe von Sternen während vier Jahren Mission. • Das Photometer ist ein einziges „Instrument," ein Array von 42 CCDs. Jedes 50 x 25 mm CCD hat 2200 x 1024 Pixel. • to detect an Earthsize transit around a G2 6. März, 2009 10:48 PM Liftoff! Periode = 372,5 d Gewicht: 1 t Eine Handbreit am Himmel 156.000 Sterne Erstes Licht Kepler Feld • Ziel 1: Bestimme die Häufigkeit der terrestrischen und Jupiter Planeten in oder nahe der habitablen Zone für verschiedene spektrale Stern-Typen. • Ziel 2: Bestimme die Verteilung der Größe und Bahnhalbachsen aller Planeten. • Ziel 3: Bestimme die Häufigkeit von Planeten und ihrer Bahnelemente in multiplen stellaren Systemen. • Ziel 4: Bestimme die Verteilung von Halbachsen, Albedo, Größe, Masse und Dichte von kurzperiodischen Riesenplaneten Vergleich der Methoden Kepler 2013 Kepler 7b / heißer Jupiter Masse = 1,776 MJ Radius = 1,363 RJ Temp = 2730 K Stern : F8 March 6, 2008 Transit Lichtkurven mit Kepler Erdähnlicher Transit 0,0003 Ist Sonnensystem Normalfall ? Parallaxe der Sterne Distanz aus Parallaxe F-Sterne M-Sterne G-Sterne K-Sterne ExoP-Sternmassen / Kepler A-Sterne Planeten und ihre Muttersterne Sterne werden aufgrund ihrer Oberflächentemperatur in Kategorien eingeteilt: M – K – G – F – A – B - O Proxima Centauri 3000 – 3500 K Sonne 5600 K Sirius 7500 - 10.000 K Kepler hat gezeigt, dass sonnenartige Sterne (sog. GSterne) von Planeten bevorzugt werden. Problem: Was ist mit M-Sternen? Auswahleffekt? Massenverteilung Galaxis Nordlund Turbulenz ? Salpeter M Sterne Planeten Grafik: M. Camenzind ExoP-Sterntemperaturen G-Sterne M-Sterne K-Sterne F-Sterne HRD Kepler-Sterne Grafik: Eric Gaidos 2013 Kepler Resultate bis Feb. 2014 1696 Planeten um 1027 Sterne 21.267.578 Transit Lichtkurven Lissauer et al. 2014 107 Histo Transit-Tiefe (R*/RP)² Jupiters Erden Histogramm Transit-Dauer 1h M-Zwerge Sonnenartig Marcy et al. 2014/arXiv:1401.4195 3 Gruppen von ExoPlaneten Kepler 2013 Hot Jupiter Jupiters Neptun Super-Erden + Neptune Gezeitengrenze = Roche-Grenze für Sonne 4 innere Planeten M. Camenzind 2014 Was ist die Roche-Grenze? In einem System können sich zwei Himmelskörper soweit aneinander nähern, dass aufgrund ihrer Gravitation Gezeitenkräfte wirksam werden. So übt z.B. der Mond Gezeitenkräfte auf die Erde aus. Dabei gilt: Je geringer der Abstand beider Körper und je größer ihre Massen sind, umso größer ist die Differenz der Gravitationskraft und umso stärker ist die Gezeitenwirkung. Diesen Zusammenhang hat bereits 1848 der französische Mathematiker Edouard Roche (1820-1883) erkannt, als er die Distanz kalkulierte, bei der ein Satellit durch die Gezeitenkräfte seines Zentralgestirns zerrissen wird. Nach ihm benennt man diese Grenze, in der ein Trabant nicht mehr als stabiles Gebilde existieren kann. Wenn die Dichten der beiden Körper gleich sind, beträgt der kritische Abstand a: amin = 2,423 R* ExoP Halbachse/Sternradius Erde Jupiter RocheGrenze Übung: Minimale Umlaufperiode Sonnenrand • Berechnen Sie aus dem 3. Keplerschen Gesetz die Umlaufperiode am Sonnenrand. • Zeigen Sie, dass (RS = Sonnenradius) • Pmin = (2RS)/c (RSc²/GMS)1/2 ~ 4 h • Wie groß am Roche-Radius der Sonne? Merkur Gezeitengrenze & Verdampfung Erde Histogramm Bahnperioden Kepler Data 3831 Kepler-Daten 873 Doppler-Daten 12 andere Median: 12 Tage Merkur Gezeitengrenze & Verdampfung Erde Histogramm Bahn-Halbachsen Erde Merkur Gezeitengrenze & Verdampfung Histogramm Bahn-Halbachsen Planetenmassen nur Doppler Massereiche Planeten bevorzugt durch die Dopplermethode! Vgl. mit KOIs! Jupiters Terrestr Neptuns Histo Planetenmassen + Kepler SuperErden Erden Neptuns Jupiters Planetensysteme exzentrisch Sonnensystem Pluto Sonnensystem Histogramm Dichte Planeten Eisen Jupiters Erden ? Extrem kurzperiod ExoPlaneten Sanchis-Ojeda et al. 2014/arXiv:1403.2379 124 Sanchis-Ojeda et al. 2014/arXiv:1403.2379 106 neue ExoPl Extrem kurzperiod ExoPlaneten Sanchis-Ojeda et al. 2014/arXiv:1403.2379 ExoPlaneten Häufigkeit f(P) 1 von 25 Sternen hat einen Planeten mit P < 20 d 1 von 500 Sternen hat einen kurzperiodischen Planeten mit P = 12 h Sanchis-Ojeda et al. 2014/arXiv:1403.2379 Erd-ähnliche in HZ? 52 Kepler-Kandidaten in HZ F-Sterne G-Sterne K-Sterne M-Sterne Grafik: Eric Gaidos 2013 K2V 4700 K G2V 5770 K 2. Sonnensystem ? Lisa Kaltenegger 2013 267,3 d 122,4 d 18,2 d 12,4 d 5,7 d Leuchtkraft in % Sonnenleuchtkraft K2V Lebensfreundliche ExoPlaneten Solarkonstante in % der Erd-Solarkonstante Super-Erden Kepler-62e, f Lisa Kaltenegger zu Kepler-62 Das Kepler-186 Planetensystem P = 130 d; M-Stern mit 0,48 MS; F186f ~ FS/3; FS = 1366 W; d = 500 LJ; R = 1,3 RE Das System Kepler-186 Planet Masse a [AE] P [d] Ecc e Inklinat Radius 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 Super-Erden Kepler-186f Grafik: Lisa Kaltenegger 2013 HD 40307g: Leben auf der Super-Erde? Mg > 7 ME ? Mindestens jeder sechste Stern hat einen Erd-artigen Planeten Häufigkeit der Planeten Jeder 2. Stern mindestens ein Planet Small 148 Häufigkeit Erd-ähnlicher Planeten P < 85 Tage ? Habitable Zone ? 17 % Noch zu früh ! 149 Planeten und ihre Muttersterne Sind kleine Planeten häufiger um massearme Sterne zu finden (M-Sterne)? Sun Kepler hat gezeigt, dass alle Planeten-Typen bei allen Stern-Typen vertreten sind. Problem: M Sterne? 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 < 300 pc Charakterisierung der Welt der ExoPlaneten Unsere nächsten Nachbarn: 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? 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 / 2014 – 2018 Calar Alto CARMENES hängt am 3,5 m Calar Alto PLAnetary Transits and Oscillations of stars M Mission der ESA Approved 19.2.2014 Start ~2024 Instrumental Concept PLATO Very wide field + large collecting area : multi-instrument approach optics 356 mm 164.6 mm S-FPL51 L-PHL1 N-KzFS11 CaF2 S-FPL53 KzFSN5 (Lithotec) FPA fully dioptric, 6 lenses focal planes optical field 37° 4 CCDs: 45102 18m New design - 32 « normal » cameras : cadence 25 sec - 2 « fast » cameras : cadence 2.5 sec - pupil 120 mm - huge dynamical range: 4 ≤ mV ≤ 16 !! « normal » « normal » FPA « fast » FPA Orbit around L2 Lagrangian point, 6-year nominal Lifetime + possible extension Zusammenfassung • 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 3800 Kandidaten (KOIs) aus 156.000 Sternen (2014) Überwachung von ~ 1 Mio. Sternen über 10 Jahre 1 lebensfreundliche Erde! • Mit Transitmethode werden nur etwa R*/a = 0,5 - 1% aller sonnenartigen Sterne erfasst! • Ergebnisse für P < 2 Jahre in Bearbeitung. • Irdische Planeten mit Leben bleibt abzuwarten! A Search for Habitable Planets
