Auf der Suche nach der zweiten Erde II
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Auf der Suche nach der zweiten Erde II. Wie findet man ExoPlaneten? Das Planetensystem Trappist-1 Max Camenzind Kleine Akademien 2017 www.lsw.uniheidelberg.de/users/mcamenzi Saturn Cassini Infrarot Jupiter JunoCam Zusammenfassung ExoPlanet I • Es gibt ca. 300 Mrd. Sterne in der Milchstraße: • Die meisten von diesen weisen Planetensysteme auf. • Interessant sind nur Sterne mit einer Masse unter 2 Sonnenmassen, da sie sonst zu kurz leben (mindestens ein 2 Mrd. Jahre). • Die meisten Sterne in Sonnenumgebung sind Rote Zwerge mit Masse < Sonnenmasse/2. • Exoplaneten werden heute in 5 Kategorien eingeteilt: Mars-artige, Erd-artige, Super-Erden, Neptun- und Jupiter-artige Gasplaneten. • Wesentlich ist der Begriff der Habitablen Zone. Typen von Planeten 4 Gesteinsplaneten Super-Erden fehlen im Sonnensystem Erd-ähnlich Super-Erden 4 Gasplaneten Jupiter-artig Neptun-artig Habitable Zone Wasser existiert in flüssiger Form Zu heiß Zu kalt Unser Planetensystem - Sehr geordnet - der Normalfall ? Die meisten Sterne sind Rote Zwerge Alle haben Planeten Es gibt kleine Sterne (Zwerge) und große Sterne (Riesen) Die meisten Sterne sind Zwerge 3000 K 10.000 K 40.000 K Ungeeignet für Planetensysteme! Unsere Nachbarn Alpha-Centauri Der nächste Exoplanet Proxima b Themen ExoPlanet II • • • • • Geschichtliches zur Planetensuche. Methoden der Entdeckung: Direkte Detektion; Radialgeschwindigkeitsmethode; Transit-Photometrie am Beispiel Trappist-1: 7 Erden vor der Haustüre! • Aktueller Forschungsstand: Kepler-Daten. • Zukünftige Missionen: Plato, TESS, CHEOPS,… • Auf der Suche nach Biomarkern? Video: Serge Brunier Auf den Spuren der ExoPlaneten Mit diesem Teleskop in Haute-Provence hat Michel Mayor den 1. Exoplaneten gefunden 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 Grundproblem: Planeten sind extrem lichtschwach werden durch ihre Muttersterne total überstrahlt erzeugen keine eigene Lichtleistung Das Grundproblem: Planeten sind hell, da nahe Planetensuche Dist < 1000 LJ Innerhalb von 300 LJahren gibt es ~1 Mio Sterne Ganze Galaxis: 300 Mrd Sterne 25.000 LJahre 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 ExoPlaneten-Suche bis 2016 Methoden der ExoPlaneten-Suche 1. Direkte Methode nur bei Braunen Zwergen Stern muss lichtschwach sein Gemini Süd Chile Cerro Pachon Gemini Planet Imager Discovery image of the planet 51 Eridani b with the Gemini Planet Imager taken in the near-infrared light on Dec. 18 2014. Jupiter-artiger Planet 51 Eri b Nur 20 Mio. Jahre alt, 100 Lj entfernt Stern und Planet bewegen sich um gemeinsamen Schwerpunkt Bewegung um Schwerpunkt Lage Schwerpunkt bez. Sonne 2. Die Doppler-Methode Doppler-Verschiebung der Fraunhofer-Linien durch Sternbewegung um den Schwerpunkt Schwerpunkt Planetensystem Winkelabhängigkeit Dopplerverschiebung Bahn von der Seite: Doppler-Verschiebung optimal messbar Bahn von oben: Doppler-Verschiebung nicht messbar = 0. Dopplermessungen Beispiele Mayor & Queloz 1995, Nature 378, 355; bestätigt von Butler & Marcy 1997 The first month of observations of 51 Peg from the Lick Observatory Planet Search, October-November 1995. 51 Peg b – Jupiter-artiger Planet P = 4,2 d; Dist = 50 Lyr; Sterntyp G; Alter=7 Mrd Beispiel: Gliese 436b Wo finde ich Daten zu ExoPlaneten? Archiv: www.exoplanets.org Instrumentelle Grenze Histogramm Doppler-Amplituden Histogramm Planetenmassen M sini Neptun-artige Jupiter-artige 3. Die 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). Venus-Transit Nächster 2117 Solarkonstante Venus-Transit Einsenkung um 1 Promille 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) Tenerifa HST/STIS HD 209458 Transits Brown et al. (2001) Rp = 1,35 ± 0,06 RJup i = 86o,6 ± 0o,2 1% SuperWASP Nord (Wide Angle Search for Planets) La Palma SuperWASP Süd (Wide Angle Search for Planets) Süd Afrika 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. TRAPPIST-1 Eine Welt mit 7 Erden Roter Zwergstern in 40 Lichtjahren Entfernung Trappist-1 & 7 Planeten 40 Lichtjahre entfernt 70 % aller Sterne sind Rote Zwerge Der Stern TRAPPIST-1 2560 K Trappist-1 2MASS J23062928 -0502285 Parallaxe: 82,6 mas Masse: 0,082 MS Radius: 0,117 RS Eff. Temp: 2560 K Spektralkl.: M8V Helligkeit: 18,8 mag Leuchtkraft: 0,0005 Rotation: 1,40 d TRAPPIST-Teleskop auf La Silla ESO Observatorium auf La Silla, Chile TRAPPIST-Teleskop auf La Silla Das 60-cm Teleskope wird von Liège, Belgien, aus bedient 12.000 km entfernt. TRAPPIST = Transiting Planets and PlanetesImals Small Telescope 500 Stunden mit Spitzer-Teleskop 2016 TRAPPIST-1 Transits: This plot of Spitzer photometric data shows how the brightness of the star TRAPPIST-1 changes during transits of each of its planets. (ESO/Gillon et al. 2017) Trappist-1 Planeten Bahnverteilung Wie bestimmt man die BahnRadien? Wie kann man die Massen der Planeten bestimmen? Die 7 Planeten von Trappist-1/Spitzer 24,2 d 0,06 AU Masse-Radius von Planeten & Sternen Volatile = leichtflüchtig (chem.) Neptune Erden Monde Jupiter Quelle: Chen & Kipping, 2016 Massen-Radius Beziehung: This plot of planet mass versus radius shows the the inner six exoplanets of the TRAPPIST-1 system in addition to other selected planets with the error in mass and radius indicated. Theoretical curves for planets of various compositions are shown with an Earth-like composition in black. (M. Gillon et al.) R ~ M0,28 Die inneren 3 Planeten b, c, d dürften kein Wasser aufweisen! verdampft (Venus)! TRAPPIST-1 3 Planeten e, f, g in der habitablen Zone Kepler Mission NASA 2009 – 2013 K2-Mission 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 Photometrie von Transits • Periodische Helligkeitsänderung durch Sternbedeckung • Helligkeitsänderung ist proportional zum Radiusverhältnis2 (Rpl/R*)2 ~ 0,01 – 0,0001 Transit Lichtkurven mit Kepler Erdähnlicher Transit 0,0003 Histo Transit-Tiefe (R*/RP)² Jupiters Erden Histogramm Transit-Dauer 1h M-Zwerge Sonnenartig 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 Mai 2016: 1284 Neue Kepler-Planeten, Keiner wie die Erde Ist Sonnensystem Normalfall ? Statistische Analysen mit Kepler Distanz aus Parallaxe ExoPlaneten H mag / Kepler F-Sterne M-Sterne G-Sterne K-Sterne ExoP-Sternmassen / Kepler A-Sterne ExoP-Sterntemperaturen G-Sterne M-Sterne K-Sterne F-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? Histo Planetenmassen / Kepler Der typische Exoplanet ist eine Super-Erde, die es im Sonnensystem nicht gibt. Resonanz bei Jupiter? SuperErden Mars Erden Neptune Jupiters 3 Gruppen von ExoPlaneten Hot Jupiter Jupiter Neptun 4 innere Planeten Erden+Super-Erden + Mini-Neptune Gezeitengrenze M. Camenzind 2016 ExoP Halbachse/Sternradius Erde Jupiter RocheGrenze Gezeitengrenze & Verdampfung Merkur Erde Histogramm Bahn-Halbachsen Kepler Die typische Halbachse eines Exoplaneten liegt innerhalb der Merkurbahn. Kepler nach 4 Jahren: bis zu 2 AE Gezeitengrenze & Verdampfung Merkur Erde Histogramm Bahnperioden Kepler Die typische Bahnperiode eines Exoplaneten beträgt nur 10 Tage. Kepler nach 4 Jahren: bis zu 2 a! Histo Planeten Radien + Kepler SuperErden Mars Erden Neptune Jupiters Hot Jupiters 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 Das Kepler-186 Planetensystem P = 130 d; M-Stern mit 0,48 MS; F186f ~ FS/3; FS = 1361 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 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. Biomarker auf ExoPlaneten / Kaltenegger https://www.youtube.com/watch?v=uW8PXRjyu2Y 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 Der Himmel mit TESS 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 4200 Kandidaten (KOIs) aus 156.000 Sternen (2015) 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 JWST ab 2020! Der Adler-Nebel & Messier 16 / HST Sterne entstehen überall Milchstraße Die dichten, staubhaltigen Säulen werden als Elefantenrüssel oder Säulen der Schöpfung beschrieben, sie ragen nahe der Mitte hoch, sind Lichtjahre lang, kollabieren durch Gravitation und bilden Sterne. Energiereiche Strahlung von den Haufensternen (blau) erodiert die Materie an den Spitzen und legen schlußendlich die eingebetteten neuen Sterne frei.
