Exoplaneten-Detektion 1 - Lehrstuhl für Optik, Uni Erlangen
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Exoplaneten-Detektion 1 Tobias Kolb FAU Erlangen-Nürnberg Juni 2, 2010 Tobias Kolb Exoplaneten-Detektion 1 Gliederung Sonnensystem Direkte Methode Koronographen Interferometrie Radialgeschwindigkeitsmethode (RGM) Massenfunktion Iodzelle Ergebnisse Tobias Kolb Exoplaneten-Detektion 1 Sonnensystem Planetenformation: Protoplanetare Scheibe aus Gas und Staub (junger Stern) Planeten entstehen durch Verklumpen Terrestrische entstehen nur fern von Gasplaneten Tobias Kolb Exoplaneten-Detektion 1 Sonnensystem Planetendenition Minimalmasse 1022 kg Maximalmasse 13 · MJupiter = 13 · 1, 9 · 1027 Orbit/Keplerbahn um Stern hydrostatisches Gleichgewicht / Kugelform saubere Umlaufbahn Pluto, Zwergplaneten und der Kuipergürtel (IAU 2006 ) Planetenarten Terrestrische Planeten Gasplaneten Masseneinheit MJupiter Tobias Kolb Exoplaneten-Detektion 1 Sonnensystem Abbildung: Exzentrizität im Sonnensystem (wikipedia.de) Tobias Kolb Exoplaneten-Detektion 1 Sonnensystem Habitable Zone üssiges Wasser Atmosphere Sternabhängigkeit Abbildung: wikipedia.de Tobias Kolb Exoplaneten-Detektion 1 Hertzsprung-Russell-Diagramm Abbildung: mpg.de Tobias Kolb Exoplaneten-Detektion 1 Entdeckungsgeschichte von Exoplaneten 1980 Beginn der Suche 1995 erster Extrasolarer Planet eines HR-Strerns entdeckt 51 Pegasi b Entdeckung mit Radialgeschwindigkeitsmethode 454 Extrasolare Planeten Tobias Kolb Exoplaneten-Detektion 1 Detektionsmethoden Direkte Methoden Direkte Abbildung des S.P.-Systems Interferometrie Detektion des Planeten- Stern-Spektrums Indirekte Methoden Radialgeschwindigkeitsmethode Photometrische und Spektroskopische Detektion von planetaren Transits Astrometrische Detektion der Stellaren Bewegung um das Massenzentrum Gravitationslinseneekt Tobias Kolb Exoplaneten-Detektion 1 Detektionsmethoden Exotische Methoden Radioemission von Extrasolaren Planeten Ereignis-Detektion: Asteroideneinschläge und langanhaltende Temperaturerhöhung Verschlucken des Planeten durch Roten Riesen Tobias Kolb Exoplaneten-Detektion 1 Detektionsmethoden Detektionsziel Technik Güte Orbit Astrometrie,RGM,Direkt ++, +, 0 Masse Astrometrie,RGM,GLE ++, +, 0 Radius Transit Photometrie ++ Photom. d. Reexionslichts ++ Radius, Albedo Radius, Temperatur Direkt im mittleren IR ++ Spektroskopie, Transit ++, 0 Atmosphere Monde Transit + Planetensystem Astrometrie, RGM +, + ++: sehr gut, +: gut, 0: schlecht Tobias Kolb Exoplaneten-Detektion 1 Direkte Methode Abbildung: HST, Stern Formalhaut mit Begleiter (Kasten) und Staubring (wikipedia.de) Tobias Kolb Exoplaneten-Detektion 1 Direkte Methode Kontrast zwischen Stern und Planet FPlanet ∼ RPlanet 2 FStern aPlanet IR-Emission von Gasplaneten Sichtbarer Bereich (500nm): IR-Bereich: 10−9 10−4 Koronographen Abdecken des Sternscheibchens Phasenmaske → destruktive Interferenz des Sternlichts Tobias Kolb Exoplaneten-Detektion 1 Direkte Methode Abbildung: Skizze eines Koronographen mit Lyot Filter Tobias Kolb Exoplaneten-Detektion 1 Direkte Methode Adaptive Optik 1.Seeing 2.Erweiterung : Halo des Sterns über Begleiter durch destruktive Interferenz verringern Dark Speckle Variation der Weglänge des Lichts durch Atmosphere → Destruktive Interferenz Nulling Interferometrie Mehrere Teleskope Tobias Kolb Exoplaneten-Detektion 1 Achromatische Nulling Interferometrie Sternlicht aus dem Michelson-Interferometer Iout = Iin (1 + V · cos(φ)) −Imin V = IImax max +Imin Kontrast des Streifenmusters φ = 2π·λD Iout = 0 für φ = 180◦ Variation des Gangunterschieds D Ezienz: Abhängig von der Bandbreite (0.2% der Intensität im Minimum erreichbar) Achromatische Nulling Interferometrie Phasenverschiebung von 180◦ bei allen Wellenlängen Reststernlicht immer vorhanden: Wellenfrontwellen, Phasenuktuationen, Interne Kontrastverluste Rotation des Interferometers um eigene Achse: Modulation des Planetenlichts Rekonstruktion des Planetensignals Tobias Kolb Exoplaneten-Detektion 1 Achromatische Nulling Interferometrie Abbildung: Intensitätsänderung durch Rotation des Interferometers (R.N.Bracewell: Searching for nonsolar Planets 1978) Tobias Kolb Exoplaneten-Detektion 1 Achromatische Nulling Interferometrie Achromatische 180◦ -Phasenverschiebung Interferometerarme : 2 rechtwinklige Persikope (Spiegelbildlich angeordnet) Umkehrung der Önungen u der relativen Orientierung der el.Felder je eine vertikale und horizontale 45◦ Reexion Tobias Kolb Exoplaneten-Detektion 1 Direkte Methode Abbildung: wikipedia.de Tobias Kolb Exoplaneten-Detektion 1 Ergebnisse DM Abbildung: Masse der bisher entdeckten Planeten über groÿer Bahnhalbachse M [ Jupiter AU ] Tobias Kolb Exoplaneten-Detektion 1 Ergebnisse DM Abbildung: Bahnperiode der bisher entdeckten Planeten über groÿer Bahnhalbachse d ] [ AU Tobias Kolb Exoplaneten-Detektion 1 Radialgeschwindigkeitsmethode Abbildung: exoplanet.de Tobias Kolb Exoplaneten-Detektion 1 Radialgeschwindigkeitskurve Abbildung: Radialgeschwindigkeitskurve des Sterns 51 Pegasi, Niedrige Exzentrizität der Planetenbahn Beispiele: Jupiter:12.5 ms , Tobias Kolb Erde : 0.04 ms , Exoplaneten-Detektion 1 51 Peg 50 ms . Radialgeschwindigkeitsmethode Abbildung: Radialgeschwindigkeitskurven durch stark elliptische Planetenbahnen (exoplanet.de) Tobias Kolb Exoplaneten-Detektion 1 Radialgeschwindigkeitsmethode Abbildung: Radialgeschwindigkeitskurve von Upsilon Andromedae durch 3 Planeten (astro.berkeley.edu) Tobias Kolb Exoplaneten-Detektion 1 Radialgeschwindigkeitsmethode Bsp.: Kreisförmige Umlaufbahn Halbachse des Exoplaneten Dopplereekt: ∆λ = vRc·λ S +MP ) Kepler 3: (aS + aP )3 = G ·T ·(4M ·π Abschätzung: MS >> MP ; aS << aP Radius: aP3 = MS4··πG ·T 2 2 2 2 Massenuntergrenze Kreisbahn: TS · vS = 2 · π · aS MP = MaSP··vS·π·T 2 Inklination Massenfunktion: vRadial = vS · sin(i ) MP · sin(i ) = vRadial · M·π·S ·GT 2 2 Tobias Kolb Exoplaneten-Detektion 1 1 3 Radialgeschwindigkeitsmethode Spektrographen Auösung 2 ms → 108 Linienverbreiterung: Intrinsische Linienverbreiterung 400 − 3000 > ∆λ durch vRadial m −8 vradial = 13 ms : ∆λ λ = 4 · 10 bei vradial = 13 s q vtherm = 2mkTH → für H in Sonne:10 km s Präzision durch Messung vielen Linien (104 ) Gas-Absorbtionszelle (Iod oder Hydrogen-Fluorid) Thoriumstrahler Einschränkung des Wellenlängenbereichs durch Grism, Prisma oder Gitter Echelle-Gitter-Spektrograph Tobias Kolb Exoplaneten-Detektion 1 Echelle-Gitter-Spektrograph Abbildung: Schema des Kreuz-Dispersions Echelle-Spektrographen (wikipedia.org) Tobias Kolb Exoplaneten-Detektion 1 Iodzelle Abbildung: tls-tautenburg.de Tobias Kolb Exoplaneten-Detektion 1 Iodzelle Abbildung: tls-tautenburg.de Tobias Kolb Exoplaneten-Detektion 1 Iodzelle Vorteile Viele Absorbtionslinien im Spektrum des Iods Groÿer Wellenlängenbereich Chemische Stabilität (Beobachtungsdauer ∼Jahre) Geringe thermische Linienverbreiterung durch niedrige Betriebstemperatur Tobias Kolb Exoplaneten-Detektion 1 Probleme der RGM Vorraussetzungen Groÿe Anzahl an Absorbtionslinien Eng und Dünn liegende Absorbtionslinien Stabile Photosphere, folglich keine aktiven oder variablen Sterne (Astroseismologie) Sternklassen Spektralklassen F,G,K,M Braune Zwerge (Masse: 13-75 MJupiter ) Tobias Kolb Exoplaneten-Detektion 1 Probleme der RGM Kleine Planeten Groÿe Umlaufbahnen Multible Systeme Sonnenecken Fehlende Parameter: Inklination (Entdeckungswahrscheinlichkeit) Radius → Kombination von Techniken notwendig Tobias Kolb Exoplaneten-Detektion 1 Ergebnisse RGM Abbildung: Masse der bisher entdeckten Planeten über groÿer Bahnhalbachse M [ Jupiter AU ] Tobias Kolb Exoplaneten-Detektion 1 Ergebnisse RGM Abbildung: Bahnperiode der bisher entdeckten Planeten über groÿer Bahnhalbachse d ] [ AU Tobias Kolb Exoplaneten-Detektion 1 Ergebnisse Abbildung: Exzentrizität über Bahnhalbachse Tobias Kolb Exoplaneten-Detektion 1 Ergebnisse Bisher entdeckte Exoplaneten RGM Direkt Systeme 363 10 Planeten 424 12 Multi-Sys. 41 1 Hot Jupiters (Planetenmigration) Auswahlverfahren durch Methoden eingeschränkt Sternsysteme Eigenes Sonnensystem Sonderfall Hohe Exzentrizität verhindert Aufenthalt in Habitabler Zone Leuchtschwache Hauptreihensterne als Beobachtungskandidaten Metallizität meist höher als bei Sonne → tiefere Absorbtionslinien Tobias Kolb Exoplaneten-Detektion 1 Zusammenfassung Direkte Methode: Helle, groÿe Planeten mit groÿer Halbachse Lange Beobachtungszeiten Radialgeschwindigkeitsmethode: Massereiche Planeten mit kleinen Halbachsen (vradial > 10 ms ; a < 3AU ) Inklination unbekannt: Doppelsternsysteme, Sonnenecken durch andere Methoden ausschlieÿen Beobachtungsdauer in Gröÿenordnung der Umlaufdauer Tobias Kolb Exoplaneten-Detektion 1 Quellenangabe: R.N.Bracewell: Searching for nonsolar Planets A. Quirrenbach: Detection and Characterization of Extrasolar Planets P. Cassen: Protostellar Disks and Planet Formation B.W.Carroll, D.A.Ostlie: An Introduction to Modern Astrophysics D.Goldsmith: Worlds unnumbered Tobias Kolb H.Kartunen: Fundamental Astronomy A.Weigert,H.J.Wendker,L.Wisotzki Astronomie und Astrophysik exoplanet.eu exoplanet.de rssd.esa.int mpg.de Wikipedia Exoplaneten-Detektion 1
