Planet
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Exo-Planeten Sind wir allein? Max Camenzind Senioren-Uni Bad Kissingen @ 1.3.2012 Jupiter / Cassini 7.12.2000 Jupiter gilt heute als StandardGasplanet mit „Rocky Core“ Masse: 0,001 MS Masse: 318 ME Radius: 0,1 RS Rotation: ~ 10 h sehr schnell Ausgeprägte Wolkenbänder „Jetstreams“ Extrem starke Magnetosphäre Nachtrag: Komet Halley Schweif: vom Sonnenwind weggeblasen Periode: 75,3 Jahre; Perihel: 0,568 AE Komet Hartley 2 Hartley 2 Periode: 6,46 Jahre Perihel: 1,06 AE Aphel: 5,88 AE Exc: 0,695 1986 entdeckt Malcolm Hartley Komet Hartley 2 Abdampfen von CO2 und Eis Komet Hartley 2 Motivation Planetensuche • Eine der ältesten Fragen der Menschheit: • Sind wir allein im Universum? • Ist unser Planetensystem einmalig? – Hat zu tun mit Sternentstehung – Hat zu tun mit Frage der Planetenbildung – Und der Entwicklung von Planetensystemen – Wechselwirkung Stern – Planet - Migration • Die Suche nach Planeten ist eine experimentelle Herausforderung. 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 Historie 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 ersten Planeten um den sonnenähnlichen Stern 51 Peg (Nature 378, 355). • 2011: über 530 Planeten bekannt + erste Ergebnisse von Kepler (1235 Pl). 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 Jupitermassen Braune Zwerge: Energiebedarf wird anfänglich durch Deuteriumfusion gedeckt. Planeten: Grenzmasse von 0,013 M = 13 MJ • Planeten: Keine Fusionsprozesse, Umwandlung nur von potentieller Gravitations-Energie bei Kontraktion + Einstrahlung vom Mutterstern. Das Problem: Planeten dunkel • 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 < 1000 LJ Sonne Planeten können heute nur in Sonnenumgebung gefunden werden Sternmasse in Sonnenmassen Habitable Zone um einen Stern Existenz von Wasser Abstand vom Zentralstern in AE Aktuelle Themen • Warum Exoplaneten ? – jeder sonnenartige Stern hat mindestens einen Planeten ! • Wie kann man Planeten finden ? • Radialgeschwindigkeitsmethode • Transit-Methode erste Ergebnisse • Wieviele Planeten erwarten wir ? • Wieviele Planeten in Habitabler Zone? • Wieviele Planeten mit Zivilisation? • Wie und warum entstehen Planeten ? Methoden Planetensuche • Direktabbildung – Interferometrie, Nulling • Astrometrie • Dopplerspektroskopie • Photometrie - Transits – Sternbedeckungen (Transits) – Reflexion – Mikrolensing • [Timing (nur 2 Entdeckungen)] – Pulsare, Weiße Zwerge – Timing residuals Exo-Planeten-Suche > 1989 Exo-Planeten Mikrolensing Transit-Methode Dopplermethode Direkte Methode nur bei Braunen Zwergen Stern muss lichtschwach sein Doppler-Methode Doppler-Verschiebung durch Sternbewegung Bewegung um Schwerpunkt Solares Baryzentrum Sonnensystem außerirdisch mit Dopplermethode beobachtet Doppleramp. Jupiter: 13 m/s; Saturn: 2,7 m/s Dopplermessungen Beispiele Mayor & Queloz 1995, Nature 378, 355 Dopplermessungen • Technologische Grenze bei etwa 3 m/s. • ~0,21 sin i M in 1 AE bei 1 M-Stern. • Physikalische Grenze durch Geschwindigkeitsfelder auf dem Stern. • Nur Massenuntergrenze bei unbekanntem Inklinationswinkel. • Bevorzugt enge Planetensysteme. • Erste Detektion: 51 Peg, Mayor & Queloz 1995 • (Nature 378, 355) • Sehr erfolgreiche Methode ~ 500 Planeten gefunden. • Auf sonnenähnliche Sterne beschränkt (G-K-M). Gliese 581 Roter Zwerg 6 Planeten Gliese 581g Super-Erde Sternmasse in Sonnenmassen Periode: 36,6 Tage; stabiles Klima Abstand vom Zentralstern in AE Erde Kruste / Super-Erde 0,5 – 2,0 ME 2,0 – 10,0 ME Silikat Mantel Wasser Wasser Silikat Eisen Ozean Eis Mantel Kern flüssig Eisen Kern Dopplermessungen Masse • 3. Keplersches Gesetz zusammen mit Impulserhaltung liefert 2 GMs MPl sin i Msvs sin i P 3 • Sternmasse MS aus Spektroskopie, Geschwindigkeit über Dopplereffekt messen, Periode bestimmen • Jedoch: der Effekt ist sehr klein: • Jupiter auf Sonne: 15 m/s oder 0,003 nm bei 600 nm • Saturn auf Sonne: 2,7 m/s oder 0,0006 nm bei 600 nm Instrumentelle Grenze Histo Doppler-Amplituden Histogramm Sternmassen M-Sterne Rote Zwerge K-Sterne G-Sterne Typische Mutterstern ist sonnenartig Histo Sterntemperaturen Typische Mutterstern ist Sonnenartig Sonne: 5770 K Histogramm Planetenmassen Jupiters Terrestr Neptuns Distanz Sterne aus Parallaxe 1 Parsec = 3,26 Lichtjahre Histo Sternradien Typische Mutterstern ist Sonnenartig S: 700.000 km Merkur Innerhalb MerkurBahn Erde Histogramm Bahnperioden Innerhalb MerkurBahn Merkur Erde Histo Bahn-Halbachsen Planetenorbits i.a. exzentrisch Sonnensystem Gibt es Korrelationen ? - nein Jupiter 4 innere Planeten Photometrie von Transits • Periodische Helligkeitsänderung durch Sternbedeckung – wie Venus-Transits. • Helligkeitsänderung ist proportional zum Radiusverhältnis2 (RPl/R*)2 ~ 0,01 – 0,0001 Transits Genauigkeit besser als 0,0005 Magnituden Anfänge Transit - Photometrie • Periodische Helligkeitsänderung aus Sternbedeckung. • Helligkeitsänderung ist proportional zum Radiusverhältnis2 • (Rpl/R*)2 ~ 0,001 • Begrenzt durch intrinsische Sternvariationen und Erdatmosphäre. • Inklination in engen Grenzen bekannt. • Bevorzugt enge Systeme, geringe Bahnperioden. • Kann mit Dopplerspektroskopie kombiniert werden, Dichte bekannt. • 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% SuperWASP 50 Jupiters mit Perioden von Tagen SuperWASP Nord (Wide Angle Search for Planets) La Palma SuperWASP Süd (Wide Angle Search for Planets) South Africa Planetenmahlzeit – P = 1,09 d CoRoT COnvection ROtation and planetary Transits 2006 CoRoT 1b – 2b „Hot 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 Super-Erde Masse = 0,015 MJ Radius = 0,15 RJ Temp ~ 1500 K Stern : G9V Temp = 5270 K Alter = 1,2–2,3 Gyr Kepler Mission March 6, 2009 Kepler – 1,4m 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! 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 Transit-Wahrscheinlichkeit Wahrscheinlichkeit W = R*/a ~ 0,5% (a=1AE) jedes 200. Planetensystem im Transit Anzahl Erd-ähnlicher Planeten ? • Monitoring von 100.000 Sternen • Annahme: Orbit 1 AE um einen G Stern • Transit-Wahrscheinlichkeit: W = RSonne/1 AE = 7×105 km/1,5×108 km = 5×10-3 = 0,5% • Erwartete Anzahl Erd-ähnlicher Planeten N = 0,005 x 100.000 X Erde = 500 Erde ~ einige bis 100 wobei Erde die erwartete Häufigkeit Erdähnlicher Planeten ist 4 Jahre messen Die ersten Kepler-Planeten Alles kurzperiodische Planeten ! Positionen Kepler-Planeten 02-2011 Die Kepler-Planeten 2011 02-2011 Die Kepler-Kandidaten 2012 1. Run Febr. 2011 Jan. 2012 16 M Oper Die Kepler-Kandidaten 2012 Die Kepler-Kandidaten 2012 1 – 6 Planeten Planetentemperatur HZ Sonne Planetensystem Kepler-11 Chemische Zusammensetzung Radien der Kepler Planeten Kepler-20 – Exotisches System Kepler-20e, f - Erdähnlich Wasser-Eis MgSiO3 Eisen-Core Warum entstehen Planeten? Andromeda Staub & Gas in Galaxien Spiralarmen Spitzer Telescope Der Orion-Nebel Geburtsstätte Sterne Spitzer & Hubble MGas > 100´000 MS Dist ~ 414 pc, D ~ 10 pc Alter: ~ 2 Mio Jahre Sterne bilden sich in riesigen Molekül-Wolken (GMCs) Giant H II Region in Messier 33 (HST) Messier 33 Galaxie, ein nahes Mitglied der Lokalen Gruppe Sternfabriken Messier 16 Adler Nebel Kitt Peak/0.9 m Fakten der Sternbildung • Sternbildung setzt sich fort unterhalb der HFusionsgrenze ~ 0,075 MS zu Braunen Zwergen • Die IMF („Massen-Histogramm“) hängt nicht stark von Umgebung ab ~ universelle Form. • Sternbildung ist ein relativ schneller Prozess ~ einige 100.000 Jahre in Molekülwolken. • Die stellare IMF ~ prästellares Massenspektrum (sog. Cores) Massenspektrum wird durch die protostellare Core-Verteilung schon bestimmt. • Diese zeigen supersonische Turbulenz (M~6) Turbulenz-getriebene Fragmentierung (Padoan et al. 2002, 2004, 2009/ENZO-Code). Heutige Vorstellungen zu Planetenbildung Materie fällt auf Stern (magnetische Akkretion) nur Gas optisch dünn Staub Sublimations-Front ~ 0,1 – 1,0 AE (~ 0,7 – 7 mas VLTI) Art Credit: Luis Belerique Turbulente Gas und Staub Kepler-Scheibe Planetenbildung ~ 1 – 40 AE Planeten entstehen in Scheiben Staub spielt die entscheidende Rolle 1. Protoplanetare Scheibe 4. Feste Planeten 2. Staub Sedimentation 5. Gasförmige Planeten 3. Bildung Planetesimalen 6. Dissipation der Gas-Scheibe Prozess nach 10 Mio. Jahren abgeschlossen ! Planetesimale bilden sich über Gravitationsinstabilität der Staubschicht Typische Größe der Planetesimale ~ km Objekte Asteroiden = Planetesimale = “Bauschutt” Planetenbildung aus Planetesimalen Planeten Lücke in Gasscheibe „Debris Disk“ Kuiper Gürtel ~ 30 – 55 AE Alternatives Modell Scheibe ist Gravitationsinstabil (Boss 2002) Akkretionsscheibe Gravitativ instabil Spiralarme Verdichtungen Planeten Planetenbildung durch Gravitationsinstabilitäten Planeten bilden sich in Verdichtungen Dichte Planeten-Migration Jupiter Ursprünglicher Orbit Reibung Sonnen Nebel Jupiter spiraliert nach innen Planeten-Migration Computerrechnungen Ist unser Planetensystem einzigartig? Immanuel Kant “Allgemeine Naturgeschichte und Theorie des Himmels” (1755) Sonnensystem entwickelt sich mit der Zeit Planeten bilden sich in rotierenden Gasscheiben Irdische Planeten – Nadel im Heuhaufen • Alle isoliert lebenden Sterne zwischen 0,3 und 2 Sonnenmassen (3500 – 8000 K) dürften Planetensysteme entwickelt haben 100 Mrd. • Massereiche Sterne leben zu kurz und sind zu heiß, um Planetensysteme auszubilden. • Es könnte in der Milchstraße damit etwa einige Millionen terrestrische Planeten in der habitablen Zone geben. • Wieviele von diesen Planeten tatsächlich höheres Leben entwickelt haben, ist noch schwer abzuschätzen < 0,01% > 100.000 Sterne beobachten, um Planeten mit Leben zu finden. • Mit Transitmethode > 1 Mio. Sterne beob. Entwicklung zu intelligentem Leben ? • Voraussetzung: Erdähnlicher Planet in der Habitablen Zone W‘keit folgt aus Kepler! • Andrew Watson (2008): 4 Phasen zur Entwicklung von intelligentem Leben: • Auftreten einzelner Zellen dauert ~ 1 Mrd. Jahre; • Mehrzelliges Leben etwa 1,5 Mrd. Jahre später; • Komplexere Lebensformen 1 Mrd. Jahre später; • Entstehung von intelligentem Leben mit Sprache nochmals 1 Mrd. Jahre später. • 4,5 Mrd. Jahre zur Ausbildung einer Zivilisation. Jede Phase 10% W‘keit! • Nur jede 10.000te Erde bildet höheres Leben. Drake-Formel der Milchstraße • • • • • • R*: mittlere Sternentstehungsrate pro Jahr ~ 8/Jahr. fp: Anteil an Sternen mit Planetensystem ~ 0,5. ne: Anzahl der Planeten in der Habitablen Zone < 1. fl: Anteil an Planeten mit Leben (?) fi: Anteil an Planeten mit intelligentem Leben (?) fC: Anteil an Planeten mit Interesse an interstellarer Kommunikation ~ 0,5 – 1,0. • L: Lebensdauer einer technischen Zivilisation in Jahren ~ 20.000 Jahre. Galaktisches Internet möglich ? Exosphäre: 1 „intelligenter“ Erd-ähnlicher Planet 10.000 LJ 100.000 LJ Können wir mit andern Zivilisationen kommunizieren? Nein ! Die Lichtgeschwindigkeit ist endlich ! Lebensdauer einer Zivilisation nur ~ 20.000 Jahre ! Kommunikation nur bis zu 10.000 LJ möglich ! Zusammenfassung • Planeten entstehen bei fast allen sonnen-artigen Sternen mit Massen < 2 Sonnenmassen. • Doppler-Methode findet vor allem massereichere Planeten bisher keine systematischen Untersuchungen, Gliese 581 interessant. • Transit-Methode beste Methode erste Ergebnisse von Kepler für P < 100 Tage ergaben 2326 Kandidaten aus 150.000 Sternen. • Ergebnisse für P ~ 1 Jahr erst am Ende Mission • Wir warten noch auf ersten Erd-ähnlichen Planeten in der Habitablen Zone sehr selten!
