Exo-Planeten Sind wir allein?

Transkript

1 Exo-Planeten Sind wir allein? Max Camenzind Senioren-Uni Bad

2 Jupiter / Cassini Jupiter gilt heute als Standard- Gasplanet mit Rocky Core Masse: 0,001 M S Masse: 318 M E Radius: 0,1 R S Rotation: ~ 10 h sehr schnell Ausgeprägte Wolkenbänder Jetstreams Extrem starke Magnetosphäre

3 Nachtrag: Komet Halley Schweif: vom Sonnenwind weggeblasen Periode: 75,3 Jahre; Perihel: 0,568 AE

4 Komet Hartley 2 Hartley 2 Periode: 6,46 Jahre Perihel: 1,06 AE Aphel: 5,88 AE Exc: 0, entdeckt Malcolm Hartley

5 Komet Hartley 2 Abdampfen von CO 2 und Eis

6 Komet Hartley 2

7 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.

8 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.

9 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 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.

10 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).

11 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 M J Planeten: Keine Fusionsprozesse, Umwandlung nur von potentieller Gravitations-Energie bei Kontraktion + Einstrahlung vom Mutterstern.

12 Das Problem: Planeten dunkel 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

13 Planetensysteme d < 1000 LJ Sonne Planeten können heute nur in Sonnenumgebung gefunden werden

14 Sternmasse in Sonnenmassen Habitable Zone um einen Stern Existenz von Wasser Abstand vom Zentralstern in AE

15 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?

16 Methoden Planetensuche Direktabbildung Interferometrie, Nulling Astrometrie Dopplerspektroskopie Photometrie - Transits Sternbedeckungen (Transits) Reflexion Mikrolensing [Timing (nur 2 Entdeckungen)] Pulsare, Weiße Zwerge Timing residuals

17 Exo-Planeten-Suche > 1989 Exo-Planeten Mikrolensing Transit-Methode Dopplermethode

18 Direkte Methode nur bei Braunen Zwergen Stern muss lichtschwach sein

19 Doppler-Methode Doppler-Verschiebung durch Sternbewegung

20 Bewegung um Schwerpunkt

21 Solares Baryzentrum

22 Sonnensystem außerirdisch mit Dopplermethode beobachtet Doppleramp. Jupiter: 13 m/s; Saturn: 2,7 m/s

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

24 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).

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27 Gliese 581 Roter Zwerg 6 Planeten

28 Sternmasse in Sonnenmassen Gliese 581g Super-Erde Periode: 36,6 Tage; stabiles Klima Abstand vom Zentralstern in AE

29 Erde / Super-Erde 0,5 2,0 M E 2,0 10,0 M E Kruste Silikat Mantel Eisen Kern Wasser Ozean flüssig Wasser Eis Silikat Mantel Eisen Kern

30 Dopplermessungen Masse 3. Keplersches Gesetz zusammen mit Impulserhaltung liefert MPl sin i Msvs sin i 3 2 GM P s Sternmasse M S 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

31 Histo Doppler-Amplituden Instrumentelle Grenze

32 K-Sterne G-Sterne Histogramm Sternmassen Typische Mutterstern ist sonnenartig M-Sterne Rote Zwerge

33 Histo Sterntemperaturen Typische Mutterstern ist Sonnenartig Sonne: 5770 K

34 Histogramm Planetenmassen Terrestr Neptuns Jupiters

35 Distanz Sterne aus Parallaxe 1 Parsec = 3,26 Lichtjahre

36 Histo Sternradien Typische Mutterstern ist Sonnenartig S: km

37 Merkur Erde Histogramm Bahnperioden Innerhalb Merkur- Bahn

38 Merkur Erde Histo Bahn-Halbachsen Innerhalb Merkur- Bahn

39 Planetenorbits i.a. exzentrisch Sonnensystem

40 Gibt es Korrelationen? - nein Jupiter 4 innere Planeten

41 Photometrie von Transits Periodische Helligkeitsänderung durch Sternbedeckung wie Venus-Transits. Helligkeitsänderung ist proportional zum Radiusverhältnis 2 (R Pl /R * ) 2 ~ 0,01 0,0001

42 Transits Genauigkeit besser als 0,0005 Magnituden

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

44 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)

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

46 Super- WASP 50 Jupiters mit Perioden von Tagen

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

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

49 Planetenmahlzeit P = 1,09 d

50 CoRoT COnvection ROtation and planetary Transits 2006

51 CoRoT 1b 2b Hot Jupiter

52 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

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

54 CoRoT 7b Super-Erde Masse = 0,015 M J Radius = 0,15 R J Temp ~ 1500 K Stern : G9V Temp = 5270 K Alter = 1,2 2,3 Gyr

55 Kepler Mission March 6, 2009

56 Kepler 1,4m Schmidt Teleskop

57 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

58 6. März, :48 PM Liftoff!

59 Eine Handbreit am Himmel Sterne

60 Erstes Licht Kepler Feld

61 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

62 Transit-Wahrscheinlichkeit Wahrscheinlichkeit W = R * /a ~ 0,5% (a=1ae) jedes 200. Planetensystem im Transit

63 Anzahl Erd-ähnlicher Planeten? Monitoring von Sternen Annahme: Orbit 1 AE um einen G Stern Transit-Wahrscheinlichkeit: W = R Sonne /1 AE = km/1, km = = 0,5% Erwartete Anzahl Erd-ähnlicher Planeten N = 0,005 x X Erde = 500 Erde ~ einige bis 100 wobei Erde die erwartete Häufigkeit Erdähnlicher Planeten ist 4 Jahre messen

64 Die ersten Kepler-Planeten Alles kurzperiodische Planeten!

65 Positionen Kepler-Planeten

66 Die Kepler-Planeten

67 Die Kepler-Kandidaten Run Febr Jan M Oper

68 Die Kepler-Kandidaten 2012

69 Die Kepler-Kandidaten Planeten

70 HZ Sonne Planetentemperatur

71 Planetensystem Kepler-11

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73 Chemische Zusammensetzung

74 Radien der Kepler Planeten

75 Kepler-20 Exotisches System

76 Kepler-20e, f - Erdähnlich

77 Wasser-Eis MgSiO 3 Eisen-Core

78 Andromeda Warum entstehen Planeten? Staub & Gas in Galaxien Spiralarmen Spitzer Telescope

79 Der Orion-Nebel Geburtsstätte Sterne Spitzer & Hubble M Gas > M S Dist ~ 414 pc, D ~ 10 pc Alter: ~ 2 Mio Jahre

80 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

81 Sternfabriken Messier 16 Adler Nebel Kitt Peak/0.9 m

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83 Fakten der Sternbildung Sternbildung setzt sich fort unterhalb der H- Fusionsgrenze ~ 0,075 M S zu Braunen Zwergen Die IMF ( Massen-Histogramm ) hängt nicht stark von Umgebung ab ~ universelle Form. Sternbildung ist ein relativ schneller Prozess ~ einige 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).

84 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

85 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!

86 Planetesimale bilden sich über Gravitationsinstabilität der Staubschicht Typische Größe der Planetesimale ~ km Objekte

87 Asteroiden = Planetesimale = Bauschutt

88 Planetenbildung aus Planetesimalen

89 Planeten Lücke in Gasscheibe Debris Disk Kuiper Gürtel ~ AE

90 Alternatives Modell Scheibe ist Gravitationsinstabil (Boss 2002) Akkretionsscheibe Gravitativ instabil Spiralarme Verdichtungen Planeten

91 Planetenbildung durch Gravitationsinstabilitäten Planeten bilden sich in Verdichtungen Dichte

92 Planeten-Migration Jupiter Sonnen Nebel Ursprünglicher Orbit Reibung Jupiter spiraliert nach innen

93 Planeten-Migration Computerrechnungen

94 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

95 Irdische Planeten Nadel im Heuhaufen Alle isoliert lebenden Sterne zwischen 0,3 und 2 Sonnenmassen ( 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% > Sterne beobachten, um Planeten mit Leben zu finden. Mit Transitmethode > 1 Mio. Sterne beob.

96 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 te Erde bildet höheres Leben.

97 Drake-Formel der Milchstraße R * : mittlere Sternentstehungsrate pro Jahr ~ 8/Jahr. f p : Anteil an Sternen mit Planetensystem ~ 0,5. n e : Anzahl der Planeten in der Habitablen Zone < 1. f l : Anteil an Planeten mit Leben (?) f i : Anteil an Planeten mit intelligentem Leben (?) f C : Anteil an Planeten mit Interesse an interstellarer Kommunikation ~ 0,5 1,0. L: Lebensdauer einer technischen Zivilisation in Jahren ~ Jahre.

98 Galaktisches Internet möglich? Exosphäre: 1 intelligenter Erd-ähnlicher Planet LJ LJ Können wir mit andern Zivilisationen kommunizieren? Nein! Die Lichtgeschwindigkeit ist endlich! Lebensdauer einer Zivilisation nur ~ Jahre! Kommunikation nur bis zu LJ möglich!

99 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 Sternen. Ergebnisse für P ~ 1 Jahr erst am Ende Mission Wir warten noch auf ersten Erd-ähnlichen Planeten in der Habitablen Zone sehr selten!