Transits - Kepler- vs. TESS-Mission. Max Camenzind Akademie HD 2018

Transkript

1 Transits - Kepler- vs. TESS-Mission Max Camenzind Akademie HD 2018

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3 TESS erfolgreich gestartet

4 11% aller Sonnen-artigen Sterne könnten potenziell habitable Planeten haben mit Radien von 0,63 bis 1,5 R E Andrew LePage

5 Inhalt Die Transit-Methode Venus-Transit Transit-Wahrscheinlichkeit Lichtkurve und Planeten-Radius Transit-Spektroskopie Moderne Transit-Teleskope Die Kepler-Mission und Kepler-Exoplaneten Habitable Exoplaneten Biosignaturen im Transit-Spektrum Zukünftige Projekte: TESS, Plato, JWST, Ariel,

6 Methode Venus-Transit Video: NASA SDOs Venus Transit 2012 Durchmesser Venus = 1/30 Sonne Bedeckung von 0,1% Sonnen-Fläche

7 Venus Transit

8 Durchmesser Venus = 1/30 Sonne Bedeckung von 0,1% SFläche 1,4 W/m² = 0,1 % Grafik: G. Kopp 2016

9 Kontakt 1 4 Transit

10 Geometrie des Transits Wahrscheinlichkeit p einen Transit zu sehen?

11 Die Transit-Wahrscheinlichkeit Die Transit-Wahrscheinlichkeit p hängt nur vom Verhältnis Sternradius R * zu Bahnradis a ab: p = R * /a. Um einen 5,2 AE um einen sonnenartigen Stern zu finden, muss man ~ 1 / (0,1%) ~ 1000 Sterne beobachten! Um einen heißen Jupiter um einen sonnenartigen Stern zu finden, muss man ~ 1 / (10%) ~ 10 Sterne beobachten!

12 Radius des Planeten Der Radius des Sterns folgt aus der Verdunklung des Sternenlichts (Solarkonstante): Radius des Planeten Radius des Sterns Relative Änderung im Energiefluss des Sterns Image credit: Jason Eastman Ohio State Univ.

13 Einsenkung um 7 Promille Beispiel HAT-P-7

14 HAT-P-7b = Kepler-2b Borucki 2009

15 Verdunklung von HAT-P-7 Stern

16 Mitte-Rand-Verdunkelung Upon closer inspection of the transit light curve, a few things are evident. First, the transit is not flat-bottomed, it is round-bottomed. This is because stars are not uniformly bright over their surfaces. Stars have a property called "limb darkening", which means that the star is brightest at the center from our view, and faintest at the edge of the view.

17 Effekt der Randverdunkelung

18 The ratio between t t and t f, when combined with other information like the depth of the transit, gives information about how far from the center of the star the planet transits. Usually, astronomers extract this information by calculating what the transit should look like and comparing that to the observations. This approach, called modeling, results in calculations that very closely match the observed data.

19 Lichtkurven Modell HAT-P-7b b = 0,497, T P = 2121 K, Radius = 1,431 Jupiter

20 Impakt-Parameter b

21 Transit Parameter: Impakt b

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23 Hot Jupiter Hat-P-7b / 1000 LJ gebundene Rotation, Abstand 4 Sternradien

24 Transit Parameter

25 Transit Beobachtung Primär Photometrie Transmissions-Spektrum Sekundär Emissions-Spektrum Tagseite des Planeten Temperatur

26 Transit Photometrie & Spektroskopie

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31 Radius heißer Jupiter bewölkt Wolkenfreies Modell

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36 HST Spektrum von WASP-19b

37 Moderne Transit Teleskope NGTS Paranal ESO

38 Paranal mit NGTS-Hütte ESO

39 Next-Generation Transit Survey cm-Teleskope UK, CH, D

40 ExTra-Teleskope auf La Silla seit 2018 Exoplanets in Transits and their Atmospheres F 60-cm-Teleskope Rote Zwerge

41 ExTra 60-cm- Teleskop Chile

42 ExTra mit Multiobject Spektrograph NIR-Spektrograph Wellenlängen: 0,8 1,6 µm Rote Zwerge im Visier ExTrA s prime objective is to detect planets transiting bright nearby M dwarfs

43 Spektren Roter Zwerge

44 Kepler Mission der NASA A Search for Habitable Planets Fortsetzung K2 Mission 2018 Die Transit-Methode

45 Kepler Mission March 6, 2009

46 Kepler: 1,4-m Schmidt Teleskop

47 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

48 Eine Handbreit am Himmel Sterne im Visier

49 Erstes Licht Kepler Feld

50 Transit Lichtkurven mit Kepler

51 Kepler Exoplaneten Juni 2017

52 Exoplaneten im Vergleich Nicht-Kepler Exoplaneten 86% größer als Neptun 3500 Kepler Kandidaten 85% kleiner als Neptun

53 Kepler Grenze: 3 Transits in 4 Jahren

54 bestätigte Exoplaneten

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57 Planeten pro Solar-Typ Stern Das Sonnensystem ist eine Ausnahme, da keine Supererden vorkommen Burke et al. 2015

58 Periodic Table of Exoplanets

59 Periodic Table of Exoplanets The Periodic Table of Exoplanets divides most of the known exoplanets into six mass/size and three temperatures groups for visualization purposes (18 categories total). Exoplanets in the Hot Zone are too close of their parent star to have liquid water. Those in the Warm 'Habitable' Zone have the right distance for liquid water given the right size and atmosphere. Water can only exist as ice for those in the Cold Zone. Miniterrans are low mass bodies most likely spherical and without atmospheres, similar to Mercury and the Moon. Subterrans are comparable to Mars, Terrans to Earth and Venus, and Superterrans are a transition group between terrans and neptunians. Neptunians are similar in mass to Neptune and Uranus, and Jovians to Jupiter and Saturn, or larger. Not all bodies stated in the objects count in the title are classified in the table due to unknown stellar or planetary parameters.

60 Kepler Exoplaneten Kandidaten

61 53 Potenziell Habitabel / 2017

62 11% aller Sonnen-artigen Sterne könnten potenziell habitable Planeten haben mit Radien von 0,63 bis 1,5 R E Andrew LePage

63 Habitable Welten

64 Dies zeigt alle Planeten in der habitablen Zone (März 2018, darker green shade is the conservative habitable zone and the lighter green shade is the optimistic habitable zone). Es werden nur Planeten mit weniger als 10 Erdmassen oder 2,5 Erdradien aufgeführt. Einige sind nicht bestätigt (* = unconfirmed). Größe des Kreises entspricht dem Radius des Planeten (wenn unbekannt, abgeleitet aus Masse-Radius Relation).

65 Top 10 der Habitablen Exoplaneten????????

66 Exoplanet Ross-128b The star Ross 128 is an V magnitude 11.1 star located in the constellation of Virgo The Virgin. Its common name is derived from being the 128th star cataloged by American astronomer Frank E. Ross ( ) during his early work at the Yerkes Observatory while searching for and characterizing dim variable stars. First appearing as part of the fourth installment of Ross catalog published in 1926, subsequent work showed it to be an intrinsically dim, nearby red dwarf star with a distance currently pegged at 11.02±0.02 light years based on the initial astrometric measurements from the ESA Gaia mission. This makes Ross 128 the 12th closest known star system to the Sun. Because of its closeness, Ross 128 was included in the first edition of the Gliese Catalogue of Nearby Stars in 1957 earning it the designation of GJ 477 after the creator of the catalog, German astronomer Wilhelm Gliese ( ), and his long time collaborator, Hartmut Jahreiß.

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68 HARPS The ESO 3.6m Telescope equipped with HARPS was used to acquire the data used to find the new planets orbiting Ross 128. (ESO/H.H.Heyer)

69 The top panel shows the HARPS radial velocity (RV) data folded in phase space for the orbit of Ross 128b while the lower panel shows the residuals after the orbit fit. The orange and blue data points show the RV measurement before and after the HARPS upgrade, respectively, while the gray band indicates the best fit for the data. Click on image to enlarge. (Bonfils et al.)

70 LHS-1140b MEarth-Süd

71 LHS-1140b Transit & RV

72 Biosignaturen im Erdschein Spektrum Grafik: Turnbull et al. 2006

73 Was ist der Erdschein? Erdschein Sonnenschein

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75 Biosignaturen Erdschein-Spektrum

76 Unterschied Mars Venus Erde?

77 Infrarot-Spektren Planeten

78 IR- Spektrum Venus Erde Mars Nur Erde zeigt Biosignaturen

79 Synthetisches Spektrum Erdartig Sternspektrum Roter Zwerg im Transit Erdartiger Planet mit Atmosphäre Grafik: H. Rauer 2011

80 Roter Zwerg Erdartig

81 KOI-351 = Kepler-90 Sonnensystem Ein Vergleich des Systems KOI-351 mit unserem Sonnensystem. Die Bahnen der Planeten in unserem Sonnensystem sind blau gezeichnet, in KOI-351 rot. Die sieben Planeten finden innerhalb der Erdbahn Platz.

82 Kepler-90 8 Planeten

83 Kepler-90

84 Mission Roadmap Science Roadmap Vollständige Erfassung ExoPlaneten < 100 pc Zukunft Charakterisierung der Welt der ExoPlaneten Unsere nächsten Nachbarn: Überwachung von Planetensystemen und Suche nach Habitablen Klimas Auswandern? Ground-Based Mission-Supporting Observations: ESPRESSO, TESS/NASA PLATO/ESA JWST/NASA/ESA HST WFIRST+C F-DIM: (Flagship Direct Imaging Mission) Spitzer Kepler Transit Char. Mission: Ariel/ESA Astrometry Mission?

85 Weltraum-Teleskope NASA

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87 Space Missionen nächste 10 Jahre, die Exoplaneten erkunden

88 Future: TESS = Kepler 2.0 NASA Satellit 2018 / 200 Mio. Transiting Exoplanet Survey Satellite Wird 2,5 Mio. Sterne in der Sonnenumgebung überwachen! d < 300 LJ Start: 19. April 2018 Video: TESS

89 TESS untersucht helle Sterne < 300 LJ

90 1 Streifen Hemisphäre gleichzeitig 13 Überdeckungen pro Jahr in 2 Jahren ganze Himmel 1x abgescannt

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92 arxiv:

93 Vergleich Kepler vs. TESS Exoplaneten TESS Kepler arxiv:

94 TESS - Helligkeit der Sterne FFI = Full-Frame Image arxiv:

95 arxiv:

96 TESS Anzahl Planeten arxiv:

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

98 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

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100 IR James Webb Teleskop > 2020

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102 Transmissions-Spektrum mit JWST Benneke et al. 2012