Was ist ein Planet

Suche nach extra-solaren Planeten
Ralph Neuhäuser
Astrophysikalisches Institut und Universitäts-Sternwarte
www.exoplanet.de
www.astro.uni-jena.de
Friedrich-Schiller-Universität Jena
Sterne Æ
leuchten
selbst und
gleichmäßig:
Sonnenmassen
Einleitung:
Entdeckung
von> 0.078
Exo-Planeten
Æ Entstehung
von
Planeten0.013
– empirisch
Braune
Zwerge liegen
dazwischen:
bis 0.078 Sonnenmassen
Æ direkte Abbildung extra-solarer Planeten
Planeten
reflektieren Sternlicht: Masse < 0.013 Sonnenmassen
Æ
Ausblick
(13 Jupitermassen)
Was ist ein Planet ?
Frühere Änderungen der Planetendefinition:
Î Kopernikanische Wende (Erde ist Planet)
Î Kleinplaneten (Ceres etc.) seit Januar 1801
Î heute in der Diskussion: Sind Pluto und Jupiter Planeten ?
Methoden zur Detektion von Exo-Planeten:
Durchbrüche durch Winkel-Auflösung !
Interferometrie (VLTI): 0.001 arc sec
Entfernung, aus der
man einen Menschen
erkennen könnte (km)
VLT (Adaptive Optik): 0.05 arc sec
WinkelAuflösung
(arc sec)
plus Jod-Zelle bei Spektroskopie !
Jahr
Extra-solare Planeten bzw. Exo-Planeten:
Radialgeschwindigkeiten
Doppler-Verschiebung der Linien
wg. Variation der Radial-Geschw.
(sog. Wobble des Primärsterns)
Der erste solche Rad.-Geschw.-Planeten-Kandidat
war HD 114762 b (Latham et al. 1989 Nature).
Planet
(unsichtbar)
Inzwischen ~170 solche Objekte.
Bahn-Inklination meist unbekannt.
Daher meist nur M sin i bekannt,
also eigentlich Planetenkandidaten !
(Mayor & Queloz 1995 Nature)
Genaue Wellenlängenbestimmung durch Iod-Zelle
Teleskop
Spektrum
Teleskop
Spektrum
Stern
Licht
Iod
Licht
Stern + Iod
Beispiel von der Thüringer Landessternwarte Tautenburg (Artie Hatzes, Eike Guenther)
Stern
Stern und Planet kreisen umeinander Î Stern „wackelt“
Rho CrB: Noyes et al. 1997, ApJ
16 Cyg B: Cochran et al. 1997, ApJ
Upsilon Andromedae: Stern mit mehreren Planeten(kandidaten)
Ups And: Butler et al. 1999, ApJ
Astrometrie
Astrometrie = genaue Positionsmessung bei Sternen
Astrometrische Planetendetektion:
Messung des Wackelns des Sterns in den beiden anderen Raumrichtungen,
wenn Stern und Planet um ihren gemeinsamen Schwerpunkt kreisen.
Bestätigung eines Kandidaten durch Astrometrie:
Astrometrisches Wackeln der Sonne wg. Jupiter aus 10 pc
(Benedict et al.
2002 ApJ)
knapp eine Milli-Bogensekunde
etwa 1/4 Milli-Bogensekunden
… bisher nur einmal mit dem Hubble Space Telescope gelungen,
wird jetzt auch vom Boden versucht (AIU Jena + TLS Tautenburg) …
Transit eines Planeten vor der Sternscheibe
(Mazeh et al. 2000 ApJ)
AIU Teleskop in Großschwabhausen
HD 209458
(Charbonneau et al. 2000 ApJ, Brown et al. 2001 ApJ)
Planeten häufig sehr eng am Stern, Orbit hier nur 3,5 Tage !
Transit Î Bahn-Inklination und Planetenradius Î Masse und Dichte des Planeten
Goethe (1812): „Es wird dem Astronomen zur Pflicht gemacht, alle Sternbedeckungen fleißig zu beobachten.“
ε Eri, 200 Mio J. jung
(Hatzes et al. 2000 ApJ)
Beobachtungsbefund:
Viele Rad.-Geschw.-Planeten-Kandidaten kreisen auf sehr enger Bahn um ihren Stern.
… viel enger als in unserem Sonnensystem !
Wie kommen sie dorthin ?
… dort entstanden … oder … dorthin gewandert ?
… also radiale Migration nach innen ?
Lösungsweg:
Beobachtung junger Planetensysteme: Zeitliche Entwicklung ?
Problem: Rad.-Geschw. bei jungen Sternen durch Aktivität verrauscht !
… also andere Methoden, z.B. Direktaufnahmen !
Leuchtkraft vs. Alter (für Sterne, braune Zwerge und Planeten)
Deuterium-Brennen: D(p,γ)He
Fusoren
Sterne: H(p,e ν)D(p,γ)He
log L / Lsonne
+
braune Zwerge
0.078 Sonnen
= 78 Jupiter
Planeten
(= Nicht-Fusoren)
13 Jup
Jupiter
(Burrows et al. 1993, 1997 ApJ)
log Alter (Jahre)
Der braune Zwerg GJ 229 B –
erste direkte Detektion eines substellaren Begleiters
T = 1000 K
Spekraltyp T
Methanbanden
(ähnlich Jupiter)
Atmoshpäre
kühl (cool)
(Nakajima et al. 1995 Nature, Oppenheimer et et al. 1995 Science)
Direkte Detektion Exo-Planeten: Das Problem der Dynamik
TWA-5 B
3.5m-NTT (Sofi)
TWA-5 B
8.2m-VLT (Fors2)
Abstand zum Stern:
z.B. 10 AE
(1 arc sec in 10 pc)
(0.2 arc sec in 50 pc)
Problem der Dynamik: Planet zu leuchtschwach und zu nah neben viel hellerem Stern !!!
Junger brauner Zwerg bei TWA-5
VLT FORS 2
(Neuhäuser et al. 2000 A&A)
1 & 2: HST
3 & 4: VLT
FWHM = 180 mas
Zwei Tests:
Eigenbewegung konsistent ?
Spektrum kühl ?
4 mal 8.2m Very Large Telescope (VLT)
European Southern Observatory (ESO)
Cerro Paranal, Chile
Spektrum kühl (cool) Î 15 bis 40 Jupitermassen (Neuhäuser et al. 2000 A&A)
TWA-5 B ist damit der vierte braune Zwerge, der als Begleiter bestätigt ist - und der jüngste !
Beispiel für AO am 8m Spiegel: Hokupa´a am Gemini 8.3m
55 masProc.)
binary !
Mauna Kea,
(Neuhäuser,
Potter,Hawai´i
Brandner 2001 Conf.
TWA-5 A & B:
FWHM = 0.064 arc sec,
30% Strehl (H-Band)
H=17 bei 1“ (5 Jup, 60 AE)
Vergleich:
VLT/FORS 2
0.180 arc sec
(Potter, ..., Neuhäuser 2002 ApJ)
Gemini-North 8.3m
HD 130948 (200 Mio J., UMa Haufen)
mit 2 braunen Zwergen (früh L, H=12),
0.13“ auseinander, also 2.5 AE in 18 pc.
10 Jahre Orbit, dann Massen bestimmbar !
Seeing und adaptive Optik
Auflösung = Wellenlänge / Spiegeldurchmesser
seeing-limitiert !
Seeing durch Turbulenz in der Erdatmosphäre, Korrektur durch AO.
Adaptive Optik:
Anpassung eines Spiegels an
die Turbulenz in Atmosphäre
Beispiel für AO am 8m Spiegel: Naos-Conica am 8.2m VLT
Beispiel: T Tauri
Tachihara et al.
1996, PASJ 48
Der junge Stern GQ Lupi
Junger Stern,
140 pc (450 Lj),
1-2 Mio Jahre.
0.7 arc sec
0.7 arc sec
Subaru CIAO L-band 2002
0.7 arc sec
HST WFPC2 F814W (I-band) 1999
VLT NaCo Ks-band 2004
0.92
0.90
separation [arcsecs]
0.88
0.86
0.84
0.82
0.80
0.78
0.76
0.74
0.72
0.70
HST
Subaru
NACO
0.68
1500
2000
2500
JD - 2450000
3000
3500
0.92
0.90
separation [arcsecs]
0.88
0.86
0.84
0.82
0.80
0.78
0.76
0.74
if companion
0.72
0.70
0.68
1500
2000
2500
JD - 2450000
3000
3500
0.92
0.90
separation [arcsecs]
0.88
0.86
0.84
0.82
0.80
0.78
0.76
0.74
if companion
0.72
plus/minus orbital motion
0.70
0.68
1500
2000
2500
JD - 2450000
3000
3500
0.92
0.90
separation [arcsecs]
0.88
0.86
if background
0.84
0.82
0.80
0.78
0.76
0.74
if companion
0.72
0.70
0.68
1500
2000
2500
JD - 2450000
3000
3500
0.92
0.90
separation [arcsecs]
0.88
0.86
0.84
if background (proper motion
with parallactic wobble)
7σ
5σ
0.82
0.80
0.78
0.76
0.74
if companion
0.72
0.70
0.68
1500
2000
2500
3000
3500
JD - 2450000
Gleiche Eigenbewegung, d.h. ein Paar !
0.92
0.90
separation [arcsec]
0.88
0.86
0.84
0.82
0.80
Neuer Datenpunkt
Mai 2005, VLT
0.78
0.76
0.74
0.72
0.70
0.68
1500
2000
2500
JD - 2450000
3000
3500
VLT NACO K-band Spektrum (Aug & Sept 2004)
2
g=GM/R
dann log g aus CO-Linien Î log g = 2.5 +/- 0.8
Spek-typ ~L2
Vergleich des beob. Spectrum mit Modelatmosphäre: log g = 2 – 3 und T = 2000 K.
Fluss in 140 pc ergibt Radius ~ 1.2 R_jup Î Masse = 0.5 bis 6 M_jup !!!
Beobachtung:
K= 13.1 mag
Gleiche Eigenbewegung wie T Tauri Stern GQ Lupi
Spektraltyp M9-L4 Î T = 2050 +/- 450 K
Vergleich mit Modelspektren Î T = 2000 K, log g = 2 to 3, Radius ~ 1.2 Jup
Interpretation:
Gleiche Bewegung Î gleiches Alter und gleiche Entfernung: 1 Mio J., 140 pc
Magnitude mit B.C. für M9-L4 in 140 pc Î Leuchtkraft
Leuchtkraft und Temperatur bei 1 Mio J. Î Masse !!!
stars
Log10 L / Lsun
Wuchterl & Tscharnuter 2003
brown dwarfs
planets
conventional
Jupiter
Burrows et al. 1993, 1997
Log10 Age (yrs)
Wuchterl & Tscharnuter (2003) Model:
Ergebnisse:
Stern und Begleiter gleichalt:
~ 1 bis 1.5 Mio Jahre.
Stern hat 70% Sonnenmasse.
Companion planet
or brown dwarf ?
Begleiter hat nur
1 to 3 Jupitermassen
Chauvin et al. (2004): Ein Planet bei 2M1207 ?
2M1207: Eventuell brauner Zwerg in TWA, 5 bis 12 Mio J., 50 bis 100 pc
Gemeinsame Eigenbewegung ok (Chauvin et al. 2005)
GQ Lup b
ve
sc
ax
=
= 100
1.3 0
km (Mt
/s ot / M
8
)A
U
Nep
am
Jup Sat
2M1207
Kriterien für Langzeit-Stabilität:
Weinberg et al. 1987, Close et al. 2003
Wie ist GQ Lupi b entstanden ?
Î In ~ 100 AE Abstand vom Primärstern entstanden ?
(möglich, aber unwahrscheinlich)
Î Weiter innen (< 40 AE), aber mit großer Exzentrizität.
(möglich, abwarten …)
Î Von weiter innen bei Nahe-Zusammenstoß mit anderem Protoplaneten
nach außen geschleudert.
(möglich, dann müsste da noch ein massereicher Planet innen sein …)
Zukunft: Darwin (Interferometrie)
Erde
Ziele:
• Erdähnliche Planeten zu
photographieren
• Spektrale Signaturen von Leben
zu entdecken
Mars
Venus
Entstehung von Planeten - empirisch
Planeten … wenige Fakten:
… unser Sonnensystem mit terrestrischen Planeten innen und Gasriesen aussen.
… Scheiben um junge Sterne Î Planeten entstehen in Scheiben (Kant, Laplace)
… Planeten und Planetensysteme auch bei anderen Sternen (> 5 %), z.T. sehr eng !
… Massereiche Planeten (> 5 Jup) in weiten Bahnen (> 50 AE) sehr selten (< 9%).
… Direkte Detektion von Exo-Planeten jetzt möglich.
3.5m-NTT (Sofi)
8.2m-VLT (Isaac)
8.2m-VLT (Fors2)
Gemini 8.3m
HST-Nicmos
Was ist ein Planet ?
Definition (Vorschlag):
Ein Planet ist ein metallreicher Nicht-Fusor
geboren im Orbit um einen Fusor oder Ex-Fusor
(mindestens so massereich wie das massearmeste Planet im Sonnensystem).
Frühere Änderungen der Planetendefinition:
ÎKopernikanische Wende (Erde ist Planet)
ÎKleinplaneten (Ceres etc.) seit Januar 1801
ÎBleiben Pluto und Jupiter Planeten ?
ÎSind extra-solare Planeten anders ?