Wie entstehen Planeten und die Suche nach extrasolaren Planeten
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- Leopold Graf
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1 Wie entstehen Planeten und die Suche nach extrasolaren Planeten Seminarvortrag von Julia Remmers am Protoplanetare Scheibe aus Mai 2010 Seminar: Aktuelle Probleme der Astrophysik Julia Remmers 1
2 Inhalt Planetendefinition Historisches Modell Solar Nebular Theory (SNT) Planetenentstehung Methoden zum Finden von extrasolaren Planeten Beispiele von extrasolaren Planeten Quellen 25. Mai 2010 Seminar: Aktuelle Probleme der Astrophysik Julia Remmers 2
3 Planetendefinition der IAU vom Planet: der Wanderer, der Umherschweifende Es werden diejenigen Himmelskörper Planet genannt, die sich auf einer Bahn um die Sonne befinden... über eine ausreichende Masse verfügen, um durch ihre Eigengravitation eine annähernd runde Form (hydrostatisches Gleichgewicht) zu bilden... die Umgebung ihrer Bahn bereinigt haben (d.h. es kommen keine weiteren Körper auf ähnlichen Umlaufbahnen vor)... kein Mond sind Pluto ist nur noch Zwergplanet 25. Mai 2010 Seminar: Aktuelle Probleme der Astrophysik Julia Remmers 3
4 Planetendefinition Unser Sonnensystem Planeten unseres Sonnensystem aus Mai 2010 Seminar: Aktuelle Probleme der Astrophysik Julia Remmers 4
5 Historisches Modell Kant-Laplace-Theorie Emmanuel Kant ( ) Urnebel ist Grundzustand durch Anziehung und Abstoßung entstehen Verdichtungen diese Verdichtungen werden zu Planeten Galaxien sind Welteninseln Pierre-Simon de Laplace ( ) Sonne ist von gasförmigem, rotierenden Nebel umgeben Abkühlen führt zum Schrumpfen des Nebels Drehimpulserhaltung Teilchen beschleunigen Richtung Zentrum Nebel nimmt beim Abkühlen linsenförmige Gestalt an Zentrifugalkraft Ablösen von Ringen jeder Ring wird zu einem Planeten Erste Theorien, die ein Entstehen der Planeten ohne den Einfluss einer äußeren, übernatürlichen Macht erklären! 25. Mai 2010 Seminar: Aktuelle Probleme der Astrophysik Julia Remmers 5
6 Historisches Modell Probleme Diese Theorie hat zwei große Schwachpunkte: laut Theorie müsste sich im Zentrum sowohl der Großteil der Masse befinden als auch der größte Drehimpuls real: Sonne besitzt nur 0,5% des Drehimpulses Maxwell: aufgrund der differentiellen Rotation könnte in den äußeren Bereichen keine Kondensation von Materie stattfinden man hätte eine Schreibe mit mehr als der 100fachen Masse gebraucht 25. Mai 2010 Seminar: Aktuelle Probleme der Astrophysik Julia Remmers 6
7 Solar Nebular Theory (SNT) Was muss ein Modell erfüllen? Ein Modell muss einen Anfangszustand konstruieren, von dem aus man über kausale Zusammenhänge zum heutigen Endzustand kommt. Die Sonne besitzt 99,86% der Masse aber nur 0,5% des Drehimpulses des Sonnensystems Die Planetenbahnen sind mehr oder weniger identisch mit der Äquatorebene der Sonne die Planeten drehen sich im selben Sinne um die Sonne Die Planetenorbits sind fast kreisförmig Die Satellitensysteme entsprechen in ihrem Aufbau dem des Sonnensystems. Planeten unseres Sonnensystems aus Entstehung.Sonnensystem/ Entstehung.des.Sonnensystems.htm 25. Mai 2010 Seminar: Aktuelle Probleme der Astrophysik Julia Remmers 7
8 Solar Nebular Theory (SNT) Kollaps des Urnebels Urnebel: Strahlungsdruck vs. Gravitation Störung des Gleichgewichts Rotation und Kollaps Drehimpulserhaltung Teilchen beschleunigen auf dem Weg ins Zentrum Entstehen der Protoplanetaren Scheibe schematischer Urnebel mit auslösender Supernova aus Urnebel fällt in sich zusammen und fängt an zu rotieren, aus Mai 2010 Seminar: Aktuelle Probleme der Astrophysik Julia Remmers 8
9 Solar Nebular Theory (SNT) Problembeseitigung Kollabierender Nebel dreht sich nicht immer schneller in Turbulenzen wird Wärme produziert und abgestrahlt Verlagerung des Drehimpulses nach außen differentielle Rotation bewirkt Reibung, innere schnellere Teilchen geben Drehimpuls an äußere langsamere ab Sonne dreht sich selbst nur langsam um sich selbst Magnetfeld führt dazu, dass geladene Teilchen von Zentralmasse wegfliegen und Drehimpuls mit sich nehmen 25. Mai 2010 Seminar: Aktuelle Probleme der Astrophysik Julia Remmers 9
10 Planetenentstehung Protoplanetare Scheibe Planeten formen sich in der Protoplanetaren Scheibe, die während der Sternbildung entsteht! Chemische Zusammensetzung der Scheibe: 76% Wasserstoff, 22% Helium und 2% Metalle Zusätzlich zum Gas gibt es Staubteilchen (höchstens 1/100 der Masse) Staub ist in seiner Bewegung völlig an das Gas gekoppelt Aufbau der Protoplanetaren Scheibe, aus Mai 2010 Seminar: Aktuelle Probleme der Astrophysik Julia Remmers 10
11 Planetenentstehung Kondensationsphase Planeten entstehen in der Staubphotosphäre Kondensation: Änderung des Aggregatzustandes Bildung von Molekülen und Mineralien Frostlinie 3AE Frostlinie, aus jill/ns102_2006/lectures/lecture6/09-05.jpg 25. Mai 2010 Seminar: Aktuelle Probleme der Astrophysik Julia Remmers 11
12 Planetenentstehung Koagulationsphase Brownsche Bewegung bewirkt Staubwachstum bis 100µm Druckgradient in horizontaler und vertikaler Richtung hydrostatische Schichtung, aber Staubteilchen spüren Druckgradienten nicht Absetzbewegung in Scheibenebenenmitte Bei Sinkbewegung tritt Koagulation auf Bildung von lockeren fraktalen Gebilden Staubablagerung, aus Chambers, J., Planetary accretion in the inner Solar System Staubablagerung, J. Blum/Braunschweig Technical Univ. 25. Mai 2010 Seminar: Aktuelle Probleme der Astrophysik Julia Remmers 12
13 Planetenentstehung Agglomerationsphase Stöße von unter 1 m/s führen zu Aneinanderhaften Stoßenergie führt zu Verdichtung es entstehen Körper im Zentimeterbereich Problem: Meterbarriere so niedrige Relativgeschwindigkeiten sind unrealistisch (eher 10 m/s) turbulente Scheibe: Körper werden zerrieben stille Scheibe: schneller Fall in den Zentralkörper innerhalb von Jahren entstehen kilometergroße Körper Planetesimale Prozess muss abgeschlossen sein, bevor Staubscheibe durch Sonne aufgelöst wird 25. Mai 2010 Seminar: Aktuelle Probleme der Astrophysik Julia Remmers 13
14 Planetenentstehung Agglomerationsphase II mögliche Mechanismen: Aerodynamisches Wachstumsmodell Wirbel Aerodynamisches Wachstumsmodell, aus Wurm, G., Blum, J., Colwell, J., Icarus 151, Modellrechnung zur Verteilung des Staubes in der Scheibe, aus Klahr, A. Johansen, Physica Scripta T, 2008, Mai 2010 Seminar: Aktuelle Probleme der Astrophysik Julia Remmers 14
15 Planetenentstehung Akkretionsphase gravitatives Wachstum möglich mögliche Maximalmasse hängt von lokal verfügbarem Material und den Relativgeschwindigkeiten ab Gravitatives Fokussieren: bei geringerer Relativgeschwindigkeit kann die Gravitation Material heranholen erhöhte Zahl von Kollisionen Dynamische Reibung: große Objekte sind langsamer als kleine Runaway-Wachstum: große Objekte wachsen schneller als kleine Runaway-Wachstum Planetenembryos 25. Mai 2010 Seminar: Aktuelle Probleme der Astrophysik Julia Remmers 15 aus Chambers, J., Planetary accretion in the inner Solar System
16 Planetenentstehung Akkretionsphase II oligarchisches Wachstum: benachbarte Embryos wachsen gleich schnell jeder Embryo hat eigene Fütterungszone stoppt, wenn Protoplanetare aufgebraucht sind führt zur Bereinigung der Bahn Zusammenbrechen des bisherigen Gleichgewichts Planetenbillard : Erde und Venus sind aus ca. 12 Embryos zusammengesetzt, Mars und Merkur aus sehr wenigen am dominierensten ist Jupiter Embryos ab 10 Erdmassen können Gas akkreditieren Gasplaneten Zu diesem Zeitpunkt sind etwa 10 Mio. Jahre vergangen Problem: mit diesem Modell dauert die Entstehung der äußeren Planeten länger als es die Protoplanetare Scheibe gibt! 25. Mai 2010 Seminar: Aktuelle Probleme der Astrophysik Julia Remmers 16
17 Planetenentstehung Akkretionsphase III Mögliche Lösung: Migration Planet deformiert Scheibe Asymmetrien in der Gasverteilung auf Planet wirkt ein Drehmoment ABER: wie stoppt man diesen Prozess wieder? möglich: Magnetfelder schaffen einen Gürtel rund um die Sonne, in dem kein Material ist stabile Bahn Planetenmigration aus Mai 2010 Seminar: Aktuelle Probleme der Astrophysik Julia Remmers 17
18 Planetenentstehung Zusammenfassung Planetenentstehung im Überblick von J. Blum/Braunschweig Technical Univ. 25. Mai 2010 Seminar: Aktuelle Probleme der Astrophysik Julia Remmers 18
19 Extrasolare Planeten Erdähnlicher Exoplanet von Mai 2010 Seminar: Aktuelle Probleme der Astrophysik Julia Remmers 19
20 Methoden zum Finden von Exoplaneten Planeten emittieren kein oder wenig Licht schwer zu detektieren (Kerze neben Waldbrand) trotz aller Schwierigkeiten wurden bis heute 454 Exoplaneten gefunden 25. Mai 2010 Seminar: Aktuelle Probleme der Astrophysik Julia Remmers 20
21 Methoden zum Finden von Exoplaneten Direkte Detektion schwierigste Methode sichtbares Licht: Stern strahlt 1 Mio. mal stärker IR-Bereich: Stern strahlt nur 1000 mal stärker Strahlung des Sterns kann durch Blende abgeblockt werden 25. Mai 2010 Seminar: Aktuelle Probleme der Astrophysik Julia Remmers 21 Erster mit optischen Methoden direkt beobachteter Planet Formalhaut b von
22 Methoden zum Finden von Exoplaneten Indirekte Detektion: Radialgeschwindigkeitsmethode Planet zieht Stern gravitativ an Stern vollführt Kreisbewegung von der Erde aus kann man Änderung der Radialgeschwindigkeit des Sterns feststellen Verschiebung im Spektrum Dopplereffekt: Rotverschiebung Stern bewegt sich von Erde weg Blauverschiebung Stern bewegt sich auf Erde zu Periodischer Wechsel der Radialgeschwindigkeit hängt ab von Masse des Planeten und Neigung des Sternenorbits erfolgreichste Methode 25. Mai 2010 Seminar: Aktuelle Probleme der Astrophysik Julia Remmers 22 Radialgeschwindigkeitsmethode von
23 Methoden zum Finden von Exoplaneten Indirekte Detektion: Astrometrie Untersucht gleichen Effekt wie Radialgeschwindigkeitsmethode Bestimmung des Orbits des Sterns durch hochauflösende Bildgebung man kann Masse des Planeten und Abstand zum Stern bestimmen Vorteil: Methode ist unabhängig von Bahnneigung Nachteil: brauche sehr genaue Auflösungen, um wobbles sehen zu können erster Fund mit dieser Methode gelang letztes Jahr Künstlerische Darstellung des VB 10-Systems im Vergleich zu unserem von Mai 2010 Seminar: Aktuelle Probleme der Astrophysik Julia Remmers 23
24 Methoden zum Finden von Exoplaneten Indirekte Detektion: Transitmethode Transit: Durchgang eines Planeten zwischen seinem Stern und unserer Erde Planet blockiert dabei einen Teil der Strahlung Intensitätsabnahme Radius des Planeten kann bestimmt werden Man kann Informationen über die Atmosphäre des Planeten erhalten Schwankung der Leuchtkraft zweier Sterne bei Transit von Planeten von Mai 2010 Seminar: Aktuelle Probleme der Astrophysik Julia Remmers 24
25 Methoden zum Finden von Exoplaneten Indirekte Detektion: gravitational microlensing Auffinden von Objekten, die gar kein Licht aussenden Licht von sehr weit entfernen Sternen wird an großen Objekten gebeugt und dadurch gebündelt Planet bündelt zusätzlich Licht Nebenpeak Nachteil: nur messbar wenn Konstellation der Himmelskörper richtig ist benötige noch weitere Methoden, um Fund bestätigen zu können 25. Mai 2010 Seminar: Aktuelle Probleme der Astrophysik Julia Remmers 25 Gravitational microlensing, aus hessman/imagej/book/images/microlensing-geometry.png und
26 Methoden zum Finden von Exoplaneten Vergleich der Methoden Methode Anzahl der gefundenen Kandidaten Radialgeschwindigkeit oder Astrometrie 424 davon mit Transit 80 Microlensing 10 Bildgebende Verfahren 12 Timing 8 nach mit Radialgeschwindigkeitsmethode findet man hauptsächlich große Planeten(Heiße Jupiter) es sind viel zu wenige bekannt, um den durchschnittlichen Planeten ausmachen zu können die Frage, ob unser Sonnensystem einzigartig ist, ist nicht geklärt 25. Mai 2010 Seminar: Aktuelle Probleme der Astrophysik Julia Remmers 26
27 Beispiele von Exoplaneten System um HR Direkte Aufnahme eines Planeten 25. Mai 2010 Seminar: Aktuelle Probleme der Astrophysik Julia Remmers 27 Planet um HR 8799 von
28 Beispiele von Exoplaneten System um HR erstes direktes Spektrum eines Planeten, der einen sonnenähnlichen Stern umkreist 25. Mai 2010 Seminar: Aktuelle Probleme der Astrophysik Julia Remmers 28 Planet um HR 8799 mit Spektrum von
29 Beispiele von Exoplaneten Widersprüche zum derzeitigen Planetenentstehungsmodell Künstlerische Darstellung eines Planeten, dessen Bahn geneigt ist und der in die falsche Richtung läuft von Mai 2010 Seminar: Aktuelle Probleme der Astrophysik Julia Remmers 29
30 Beispiele von Exoplaneten Protoplanetare Scheiben Protoplanetare Scheiben, aufgenommen vor dem Orion-Nebel von Mai 2010 Seminar: Aktuelle Probleme der Astrophysik Julia Remmers 30
31 Beispiele von Exoplaneten Protoplanetare Scheiben Protoplanetare Scheiben, aufgenommen vor dem Orion-Nebel von Mai 2010 Seminar: Aktuelle Probleme der Astrophysik Julia Remmers 31
32 Fazit über die Untersuchung von Exoplaneten ist es möglich mehr Informationen über die Entstehung von Planten zu erhalten sehen Momentaufnahmen von verschiedenen Prozessen zugleich Chance und Nachteil es ist noch viel ungeklärt 25. Mai 2010 Seminar: Aktuelle Probleme der Astrophysik Julia Remmers 32
33 Wie entstehen Planeten und die Suche nach extrasolaren Planeten Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 25. Mai 2010 Seminar: Aktuelle Probleme der Astrophysik Julia Remmers 33
34 Quellen abgerufen am abgerufen am _des_himmels, abegrufen am M. Scholz, Kleines Lehrbuch der Astronomie und Astrophysik, Band 10: Kosmogonie des Sonnensystems. Erhältlich auf scribd.com abgerufen am abgerufen am Wurm, G., Blum, J., Colwell, J., A New Mechanism Relevant to the Formation of Planetesimals in the Solar Nebula. Icarus 151, Klahr, H., Henning, T., Planetenentstehung: Aus Staub geboren. Phy. Unserer Zeit, 1/2009 (40) Chambers, J., Planetary accretion in the inner Solar System, Earth and Planetary Science Letters Extrasolar Planets, Information for the Media, abgerufen am Mai 2010 Seminar: Aktuelle Probleme der Astrophysik Julia Remmers 34
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