Auf der Suche nach der zweiten Erde. Max Camenzind Akademie

Transkript

1 Auf der Suche nach der zweiten Erde Max Camenzind Akademie

2 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.

3 Unsere nächsten Nachbarn + P ExoPlanet? Periode = 3,236 d Achse = 0,04 AE

4 alpha Centauri Planeten?

5 alpha Centauri Doppelstern

6 Uninteressant! Zu jung!

7 Zur Geschichte der P-Suche Die Vorstellung, dass unser Sonnensystem nicht einmalig ist, ist schon alt, z.b. Epikur ( v. Chr.): Es gibt keinen Grund, warum es nicht eine unendliche Anzahl von anderen Welten geben sollte. Dagegen stand die dogmatische Vorstellung von Aristoteles ( 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.

8 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 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 HD (Nature 339, 38), der möglicherweise knapp unter der Grenzmasse für Planeten liegt. Das Objekt wurde noch nicht als Planet bezeichnet.

9 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 : über 870 Planeten bekannt Kandidaten 3 J. Kepler-Beobachtung.

10 Der erste ExoPlanet P = 905 d Campbell et al. 1988; Hatzes et al. 2003

11 ExoPlanet g Ceph mit 2 Sonnen

12 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,

13 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 M J Braune Zwerge: Energiebedarf wird anfänglich durch Deuteriumfusion gedeckt, nur Kontraktion. Grenzmasse von 0,013 M =13 M J Planeten: Keine Fusionsprozesse, Umwandlung nur von potentieller Gravitations-Energie bei Kontraktion + Einstrahlung vom Stern.

14 Das Problem Braune Zwerge und Planeten sind extrem lichtschwach: Leuchtkraft: L R T L R T 2 eff eff, 4 Brauner Zwerg: L L Planet: L L

15 Planetensysteme d < 300 pc Innerhalb von 300 LJahren gibt es ~1 Mio Sterne Ganze Galaxis: 300 Mrd Sterne LJahre

16 Unser Planetensystem - Sehr geordnet - der Normalfall?

17 Klassen von Planeten 4 Rocky Planets Erd-ähnlich Super-Erden Super-Erden fehlen 4 Gasplaneten Jupiter-artig Neptun-artig

18 Super-Erden fehlen im SS Radius: 1,25 2,2 Erdradien Masse: 2,0 10 Erdmassen

19 Was ist eine Super-Erde? Wir definieren Erd-ähnlich zwischen 0,5 and 2,0 Erdmassen (0,8 R E to 1,3 R E ) und große terrestrische Planeten als zwischen 2 to 10 Erdmassen (1,3 R E to 2,2 R E ) Super-Erden. Planeten mit Massen unter 0,5 M E nahe der HZ verlieren wahrscheinlich ihre lebenswichtigen Atmosphären wegen ihrer geringen Gravitation und des Fehlens von Plattentektonik. Planeten mit über 10 M E (R>2,2 R E ) werden als giant Cores betrachtet (Uranus und Neptun). Diese Planeten attraktieren Wasserstoff-Helium Atmosphären und werden daher zu Gas-Riesen wie Jupiter und Saturn.

20 Erde - Super-Erde Mittlere Dichte = 5,515 g/cm³ Mittlere Dichte < 5,515 g/cm³

21 Neptun-artige Planeten M Neptun = 17 M E = M J /18

22 Neptun Atmosphäre: Wolken Atmosphäre: H, He, CH 4 Mantel: Wasser, Ammoniak Kern: Rocky, Erd-ähnlich Mittlere Dichte = 1,638 g/cm³ = Super-Erde von ~1,5 M E

23 Jupiterartige Planeten M Jupiter = 318 M E = 0,001 M S

24 Jupiter vom Südpol Differentell rotierende Streifen

25 Sturm auf Saturn ~ alle 20 Jahre Saturn

26 Atmosphäre Wasserstoffgas Flüssiger Wasserstoff Metallischer Wasserstoff Gesteinskern = Super-Erde von ~ 15 M E Mittlere Dichte = 1,326 g/cm³

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29 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.

30 Was ist Habitable Zone? Wasser Zu heiß Zu kalt für Leben

31 Was ist HZ? Sterntemperatur T eff ~ M 1/2

32 K2V Leuchtkraft in % Sonnenleuchtkraft 5,7 d 12,4 d 18,2 d 122,4 d 267,3 d Entscheidend Solarkonstante! Lisa Kaltenegger 2013 Solarkonstante in % der Erd-Solarkonstante

33 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?

34 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

35 ExoPlaneten-Suche bis 2013 Transit-Methode Mikrolensing Dopplermethode

36 ExoPlaneten-Suche bis Transit-Methode 1696 Planeten um 1027 Sterne Transit Lichtkurven Dopplermethode

37 Direkte Methode nur bei Braunen Zwergen Stern muss lichtschwach sein

38 Doppler-Methode Doppler-Verschiebung der Fraunhofer-Linien durch Sternbewegung um den Schwerpunkt Schwerpunkt Planetensystem

39 Bewegung um Schwerpunkt

40 Bahn von der Seite: Doppler-Verschiebung optimal messbar Bahn von oben: Doppler-Verschiebung nicht messbar.

41 Bewegung Schwerpunkt Sonne Nur Jupiter und Saturn könnten nachgewiesen werden!

42 Dopplermessungen Beispiele Mayor & Queloz 1995, Nature 378, 355

43 51 Peg Jupiter-artiger Planet

44 Dopplermessungen Technologische Grenze heute bei etwa 0,5 m/s (HARPS) ~0,21 sin i M J 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.

45 Dopplermessungen Masse 3. Keplersches Gesetz zusammen mit Impulserhaltung liefert MPl sin i Msvs sin i 3 2 GM P s 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

46 Beispiel: Gliese 436b

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48 Wo finde ich Daten zu ExoPlaneten? Archiv exoplanets.org

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51 Histo Doppler-Amplituden Instrumentelle Grenze

52 Histo Planetenmassen M sini Neptun-artige Jupiter-artige

53 Bahnen sind i.a. elliptisch

54 Dopplerkurven P, K, e, w

55 RV 14 Her

56 Sterne mehrere Planeten Butler et al. 1999, ApJ 526, 916

57 Transit - Photometrie Periodische Helligkeitsänderung aus Sternbedeckung. Helligkeitsänderung ist proportional zum Radiusverhältnis 2 (R pl /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).

58 Der erste Transit-Planet HD V = 7,6 mag 1,6% Einsenkung dauert 3 Stunden alle 3,5 Tage STARE: 10 cm Teleskop Charbonneau & Brown (2000)

59 HST/STIS HD Transits Brown et al. (2001) R p = 1,35 ± 0,06 R Jup i = 86 o,6 ± 0 o,2 1%

60 Tenerifa

61 Super- WASP 90 Jupiters mit Perioden von d

62 Photometrie von Transits Periodische Helligkeitsänderung durch Sternbedeckung Helligkeitsänderung ist proportional zum Radiusverhältnis 2 (R pl /R * ) 2 ~ 0,01 0,0001

63 SuperWASP Nord (Wide Angle Search for Planets) La Palma

64 SuperWASP Süd (Wide Angle Search for Planets) South Africa

65 Planetenmahlzeit P = 1,09 d

66 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.

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68 CoRoT COnvection ROtation and planetary Transits kleines Teleskop

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70 CoRoT-1b 3b Hot Jupiter

71 Heiße Jupiter CoRoT 2b: Masse = 3,31 M J Radius = 1,43 R J Temp = 1537 K CoRoT 1b: Masse = 1,03 M J Radius = 1,49 R J Temp = 1898 K

72 CoRoT-3b CoRoT 3b: Masse = 21,66 M J Radius = 1,01 R J Temp = 1537 K

73 CoRoT-7b 1. Super-Erde Masse = 4,8 M E Radius = 1,5 R E Temp ~ 1500 K Stern : G9V Temp = 5270 K Alter = 1,2 2,3 Gyr

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75 CoRoT Transit Depths Nur 6% aller Transits haben sich als Planeten herausgestellt.

76 CoRoT Sterne und ihre Planeten

77 Kepler Mission NASA A Search for Habitable Planets

78 Kepler Mission March 6, 2009

79 Kepler: 1,4-m Schmidt Teleskop

80 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

81 6. März, :48 PM Liftoff!

82 Periode = 372,5 d Gewicht: 1 t

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84 Eine Handbreit am Himmel Sterne

85 Erstes Licht Kepler Feld

86 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

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88 Vergleich der Methoden Kepler 2013

89 Kepler 7b / heißer Jupiter Masse = 1,776 M J Radius = 1,363 R J Temp = 2730 K Stern : F8 March 6, 2008

90 Transit Lichtkurven mit Kepler

91 Erdähnlicher Transit 0,0003

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96 Ist Sonnensystem Normalfall?

97 Parallaxe der Sterne

98 Distanz aus Parallaxe

99 F-Sterne K-Sterne G-Sterne ExoP-Sternmassen / Kepler M-Sterne A-Sterne

100 Planeten und ihre Muttersterne Sterne werden aufgrund ihrer Oberflächentemperatur in Kategorien eingeteilt: M K G F A B - O Proxima Centauri Sonne Sirius K 5600 K K Kepler hat gezeigt, dass sonnenartige Sterne (sog. G- Sterne) von Planeten bevorzugt werden. Problem: Was ist mit M-Sternen? Auswahleffekt?

101 Massenverteilung Galaxis Nordlund Turbulenz? Salpeter M Sterne Planeten Grafik: M. Camenzind

102 ExoP-Sterntemperaturen G-Sterne M-Sterne K-Sterne F-Sterne

103 Grafik: Eric Gaidos 2013 HRD Kepler-Sterne

104 Kepler Resultate bis Feb Planeten um 1027 Sterne Transit Lichtkurven

105 Lissauer et al

106 Histo Transit-Tiefe (R * /R P )² Jupiters Erden

107 Histogramm Transit-Dauer 1 h M-Zwerge Sonnenartig

108 Marcy et al. 2014/arXiv:

109 3 Gruppen von ExoPlaneten Kepler 2013 Hot Jupiter Jupiters Neptun Gezeitengrenze = Roche-Grenze für Sonne Super-Erden + Neptune 4 innere Planeten M. Camenzind 2014

110 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 ( ) 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: a min = 2,423 R *

111 ExoP Halbachse/Sternradius Erde Jupiter Roche- Grenze

112 Übung: Minimale Umlaufperiode Sonnenrand Berechnen Sie aus dem 3. Keplerschen Gesetz die Umlaufperiode am Sonnenrand. Zeigen Sie, dass (R S = Sonnenradius) P min = (2 R S )/c (R S c²/gm S ) 1/2 ~ 4 h Wie groß am Roche-Radius der Sonne?

113 Gezeitengrenze & Verdampfung Merkur Erde Histogramm Bahnperioden 3831 Kepler-Daten 873 Doppler-Daten 12 andere Median: 12 Tage Kepler Data

114 Gezeitengrenze & Verdampfung Merkur Erde Histogramm Bahn-Halbachsen

115 Gezeitengrenze & Verdampfung Merkur Erde Histogramm Bahn-Halbachsen

116 Planetenmassen nur Doppler Massereiche Planeten bevorzugt durch die Dopplermethode! Vgl. mit KOIs! Terrestr Neptuns Jupiters

117 Histo Planetenmassen + Kepler Super- Erden Erden Neptuns Jupiters

118 Planetensysteme exzentrisch Sonnensystem Sonnensystem Pluto

119 Histogramm Dichte Planeten Eisen Jupiters Erden?

120 Extrem kurzperiod ExoPlaneten Sanchis-Ojeda et al. 2014/arXiv:

121 Sanchis-Ojeda et al. 2014/arXiv: neue ExoPl

122 Extrem kurzperiod ExoPlaneten Sanchis-Ojeda et al. 2014/arXiv:

123 ExoPlaneten Häufigkeit f(p) 1 von 500 Sternen hat einen kurzperiodischen Planeten mit P = 12 h 1 von 25 Sternen hat einen Planeten mit P < 20 d Sanchis-Ojeda et al. 2014/arXiv:

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126 Erd-ähnliche in HZ?

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128 52 Kepler-Kandidaten in HZ F-Sterne G-Sterne K-Sterne M-Sterne Grafik: Eric Gaidos 2013

129 G2V 5770 K K2V 4700 K 2. Sonnensystem?

130 K2V Leuchtkraft in % Sonnenleuchtkraft 5,7 d 12,4 d 18,2 d 122,4 d 267,3 d Lebensfreundliche ExoPlaneten Lisa Kaltenegger 2013 Solarkonstante in % der Erd-Solarkonstante

131 Super-Erden Kepler-62e, f

132 Lisa Kaltenegger zu Kepler-62

133 Das Kepler-186 Planetensystem P = 130 d; M-Stern mit 0,48 M S ; F 186f ~ F S /3; F S = 1366 W; d = 500 LJ; R = 1,3 R E

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136 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 R E c -- 0,0574 7,26730 < 0,24 85,94 1,25 d -- 0, ,3429 < 0,25 87,09 1,39 e -- 0, ,4077 < 0,24 88,24 1,33 f -- 0, ,949 < 0,34 89,9 1,13

137 Super-Erden Kepler-186f Grafik: Lisa Kaltenegger 2013

138 HD 40307g: Leben auf der Super-Erde? M g > 7 M E

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140 ?

141 Mindestens jeder sechste Stern hat einen Erd-artigen Planeten

142 Häufigkeit der Planeten Jeder 2. Stern mindestens ein Planet Small 148

143 Häufigkeit Erd-ähnlicher Planeten P < 85 Tage? Habitable Zone? 17 % Noch zu früh! 149

144 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?

145 Irdische Planeten Nadel im Heuhaufen Mindestens alle isoliert lebenden Sterne zwischen 0,3 und 2 Sonnenmassen ( 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.

146 Mission Roadmap Science Roadmap Vollständige Erfassung ExoPlaneten < 300 pc Zukunft Charakterisierung der Welt der ExoPlaneten Unsere nächsten Nachbarn: Überwachung von Planetensystemen und Suche nach Habitablen Klimas Auswandern? Ground-Based Mission-Supporting Observations: CARMENES,.. TESS/NASA PLATO/ESA JWST HST WFIRST+C F-DIM: (Flagship Direct Imaging Mission) Spitzer Kepler Transit Char. Mission? Astrometry Mission?

147 Future: TESS = Kepler 2.0 NASA Satellit 2017 / 200 Mio. Transiting Exoplanet Survey Satellite Wird 2,5 Mio. Sterne in der Sonnenumgebung überwachen! d < 100 pc

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149 Suche nach ExoPlaneten bei 300 M-Zwergen / Calar Alto

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151 CARMENES hängt am 3,5 m Calar Alto

152 PLAnetary Transits and Oscillations of stars M Mission der ESA Approved Start ~2024

153 Instrumental Concept PLATO mm Very wide field + large collecting area : multi-instrument approach optics 356 mm S-FPL51 N-KzFS11 CaF2 (Lithotec) S-FPL53 KzFSN5 L-PHL1 FPA fully dioptric, 6 lenses focal planes optical field 37 New design - 32 «normal» cameras : cadence 25 sec - 2 «fast» cameras : cadence 2.5 sec - pupil 120 mm - huge dynamical range: 4 m V 16!! 4 CCDs: m «normal» «normal» FPA «fast» FPA Orbit around L2 Lagrangian point, 6-year nominal Lifetime + possible extension

154 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 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!

155 A Search for Habitable Planets