Mit Kepler und Einstein auf der Suche nach Exoplaneten und Schwarzen Löchern
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- Hilko Kuntz
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1 Mit Kepler und Einstein auf der Suche nach Exoplaneten und Schwarzen Löchern Raumfahrt aus Leidenschaft Hans-Peter Röser
2 Raumfahrt aus Leidenschaft SS05 Dienstags, Uhr, Hörsaal V27.02 Nr Mit Kepler und Einstein auf der Suche H.-P. Röser, R. Laufer nach Exoplaneten und Schwarzen Löchern Nr Cassini / Huygens am Saturn R. Srama Nr Fernerkundung mit Terahertz-Strahlen H.-W. Hübers - Von Weltraumforschung zu Terrorabwehr - Nr Das TerraSAR Projekt J. Herrmann Nr Interplanetare Raumflüge mit Ionenantrieben H. Löb Nr Bedrohliche Himmelskörper M. Auweter-Kurtz Kann Raumfahrttechnik beschützen? Nr Jules Verne und die Raumfahrt V. Dehs
3 Hans-Peter Röser,, René Laufer Dienstag, 19. April Uhr, V27.02
4 50 Jahre Einstein s Tod Jahre Spezielle Relativitätstheorie Jahre Keplersche Gesetze 1605 Kepler Gesetze Satellitenbahn Flug in den Weltraum Planetenbahn Kreisbahn um die Erde Erdumlaufbahn Planet Aphel Große Halbachse Kleine Halbachse Brennpunkt Sonne Perihel
5 Nikolaus Kopernikus ( ) Der polnische Astronom revolutionierte das wissenschaftliche Weltbild, indem das seinerzeit noch gültige ptolemäische (geozentrische) durch sein kopernikanisches (heliozentrisches) System der Himmelskörper ersetzte.
6 Merkur Venus Mars Jupiter Saturn Tycho Brahe ( ) Der dänische Astronom und Mathematiker verbesserte mehrere astronomische Beobachtungsverfahren und entwickelte sein eigenes geoheliozentrisches Weltsystem. Von herausragender Bedeutung waren seine exakten und umfassenden Messungen von Planetenund Sternenpositionen, deren Genauigkeit bis zur Erfindung des Teleskops Bestand hatten. J. Kepler war sein Assistent in Prag.
7 Johannes Kepler (1571 * 1630) * geboren in Weil der Stadt I. Die Planeten bewegen sich auf Ellipsenbahnen II. Die von der Sonne zu einem Planeten gezogene Linie überstreicht in gleichen Zeiträumen gleiche Flächen III. Die Quadrate der Umlaufzeiten der Planeten verhalten sich wie die 3. Potenzen der großen Halbachsen ihrer Bahnellipsen eine genaue Beschreibung des Sonnensystems + F g = G m 1 m 2 /r 2
8 Mein Vater erklärt mir jeden Sonntag unsere neun Planeten. Planeten: Maßstabsgerechte Abbildung der neun Planeten des Sonnensystems und der Größe der Planetenbahnen
9 Quelle: NASA/JPL Familienportrait, 14. Februar 1990 Voyager 1 aus einer Entfernung von 6,4 Milliarden km ( 6 Lichtstunden)
10
11 Intelligentes Leben im Weltall? Die Green-Bank-Formel Frank Drake und J. Peter Pearman (1961, NRAO, Green Banks, Virginia) N = R * f p * n e * f l * f i * f c * L Bis 1994 war die Lehrbuchmeinung, dass die Wahrscheinlichkeit für die Existenz weiterer Planeten außerhalb unseres Sonnensystems kleiner als ein Sechser im Lotto ist: <1:13,5 Millionen
12 X X X X Vergleich der Planeten Die mittlere Sonnendistanz beträgt 150 Millionen Kilometer; Exzentrizität der Umlaufbahn ist 0,0 bei Kreisbahn und 1,0 bei der Parabel; Bezugsgröße für die Neigung der Planetenumlaufbahnen ist die Erde; das Gleiche gilt für die Masse, den Radius und das Magnetfeld, gemessen an der Oberfläche. Umlauf Venus zur Erde ist gegenläufig, Rotationszeit bei Jupiter und Saturn variieren.
13 Wie kann man Exoplaneten finden?? PROBLEM: Man sieht Planeten nur in Reflexion vom Sonnen-/Sternenlicht, da sie in der Regel zu kalt sind, um selber im Sichtbaren zu leuchten LÖSUNG: Wir brauchen viel Hilfe von Kepler und etwas Hilfe von Einstein + Planck + Doppler Beobachtungen im Infraroten wegen niedriger Temperatur und Staubdurchdringung
14 Abschwächung der Sternhelligkeit beim Transit des Planeten Voraussetzung: Kurze Umlaufzeit Großer Planet Geringer Abstand Stern Planet Bewegungsebene in Richtung Erde Geringer Abstand von der Erde Prozentbereich
15 von Christian Doppler
16 Staubscheibe um den Stern Beta Pictoris aufgenommen im kurzwelligen Infrarot bei 1.25µm mit einem 3,6 m Teleskop in Chile; der eigentliche Stern in der Mitte ist ausgeblendet. Bild: ESO, 1996
17 Der Erste seiner Art! 1 Umlauf 5. Oktober 1995 Michael Mayor und Didier Queloz (Observatoire De Genève) geben während des 9. Workshops Cool Stars, Stellar Systems and the Sun in Florenz bekannt, einen Planeten um den Stern 51 Pegasi mittels ELODIE-Spektrometer am 1,93 m Spiegelteleskop des Observatoire de Haute-Provence entdeckt zu haben. 51 Pegasi b hat ~1/2 Jupitermasse und umkreist in 4,2 Tagen einen sonnenähnlichen Stern (Entfernung: 40 Lichtjahre) in einem Abstand von 0,05 AU. Quelle: Observatorium Genf
18 Extrasolarer Planet HD Charbonneau, et al., Ap. J. Lett 529, L45-L48 (2000)
19 Extrasolarer Planet HD mit HST Kurvenform Planetendurchmesser Brown, et al., Astrophys. J. 552, (2001)
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21
22 VIS IR Quelle: SST-CalTech/NASA, Space.COM
23 Venera Mission NACHWEIS VON SPURENGASEN
24 Die Top 10 der Exoplaneten Name MJup Gr. Halbachse (AU) Umlaufzeit (d) Exzentr. Entfernung (Lj) TStern (K) TPlanet (K) Strahlungs- Maximum (µm) Epsilon Eridani b 0,86 3,3 2502,1 0,608 10, ,484 Gliese 876 b 1,98 0,21 61,02 0, ,955 Gliese 876 c 0,56 0,13 30,1 0, ,340 Epsilon Eridani c 0, yr 0,3 10, ,649 Gl 86 b 4 0,11 15,78 0, , Cnc d 4,05 5, , ,864 Ups And d 3,75 2, ,27 43, ,444 HD b 10,37 3, , ,306 Tau Boo 3,87 0,0462 3,3128 0, , Uma b 2,41 2, , ,954 Die zehn größten (scheinbare Größe in Bogensekunden) von der Erde aus gesehenen Planeten
25 Jeden Tag ein neuer Planet? 14 Herculis b, 16 Cygni b, 47 Ursa Majoris b, 47 Ursa Majoris c, 51 Pegasi b, 55 Cancri b, 55 Canric c, 55 Cancri d, 55 Cancri e, 70 Virginis b, BD-10_3166 b, Epsilon Eridani b, Epsilon Eridani c, Gamma Cephei b, GJ 3021 b, GJ 436, Gliese 777A b, Gliese 86 b, Gliese 876 b, Gliese 876 c, TrES-1, HD , HD b, HD b, HD b, HD b, HD b, HD b, HD b, HD b, HD b, HD b, HD b, HD b, HD b, HD b, HD b, HD c, HD b, HD b, HD b, HD b, HD b, HD 142 b, HD A b, HD b, HD b, HD b, HD b, HD b, HD c, HD d, HD b, HD b, HD b, HD c, HD b, HD b, HD c, HD b, HD b, HD b, HD b, HD b, HD b, HD b, HD b, HD b, HD b, HD b, HD b, HD b, HD 2039 b, HD b, HD b, HD b, HD b, HD b, HD b, HD b, HD b, HD b, HD b, HD b, HD 2638 b, HD b, HD b, HD b, HD b, HD b, HD b, HD 3651 b, HD b, HD c, HD b, HD b, HD c, HD b, HD b, HD 41004A b, HD 4203 b, HD 4208 b, HD b, HD b, HD b, HD b, HD b, HD b, HD b, HD b, HD 6434 b, HD b, HD b, HD b, HD b, HD b, HD b, HD b, HD c, HD b, HD b, HD b, HD b, HD c, HD b, HD 8574 b, HD b, HD b, HD b, HD b, HD b, HR 810 b, Iota Draconis b, OGLE-TR-111 b, OGLE-TR-113 b, OGLE-TR-132 b, OGLE- TR-56 b, PSR 1257 a, PSR 1257 b, PSR 1257 c, PSR 1257 d, Rho CrB, Tau 1 Gruis b, Tau Boo, Upsilon Andromedae b, Upsilon Andromedae c, Upsilon Andromedae d 97 Planetensysteme mit 144 Planeten (Stand: 14. Februar 2005)
26 Black Hole
27 DER BEGINN DER SPEZIELLEN RELATIVITÄTSTHEORIE ALBERT EINSTEIN Annalen der Physik, 17, , 1905 [eingegangen 18. März 1905] Zitat: Nobelpreis 1921 Im Folgenden will ich den Gedankengang mitteilen und die Tatsachen anführen, welche mich auf diesen Weg geführt haben, in der Hoffnung, dass der darzulegende Gesichtspunkt sich einigen Forschern bei ihren Untersuchungen als brauchbar erweisen möge.
28 DIE RELATIVITÄTSTHEORIE IST DIE VERFASSUNG IN DER PHYSIK, GEGEN DIE KEINE UNTERGEORDNETE THEORIE VERSTOSSEN DARF : ALLE EXPERIMENTE MÜSSEN IN VERSCHIEDENEN BEZUGSSYSTEMEN ZUM GLEICHEN ERGEBNIS FÜHREN RELATIVITÄTSPRINZIP FÜR BESCHLEUNIGTE BEWEGUNGEN UND EINE NAHWIRKUNGSTHEORIE FÜR DIE GRAVITATION PHYSIK DER SEHR SCHNELLEN BEWEGUNG RELATIVITÄTSTHEORIE ALLGEMEINE SPEZIELLE 1905
29 PHYSIK DER SEHR SCHNELLEN BEWEGUNG Konstanz der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum: c = ,458 km/s c ist die maximale Geschwindigkeit eines masselosen Teilchens z.b. Photon Additionstheorem der Geschwindigkeiten von Albert Einstein ändert die Vorstellungen von Raum und Zeit v 1 + v 2 c Weg V = Zeit Längenkontraktion Zeitdilatation Das Reisen mit großen Geschwindigkeiten ist kein Jungbrunnen
30 Relativgeschwindigkeit v R = 160 km/h V = 80 km/h Nach dem Additionstheorem von Einstein nicht ganz korrekt v R = 159, Km/h Relativistischer Effekt γ γ -1 = 1 v 2 /c 2 V = 80 km/h
31 Relativgeschwindigkeit v R km/s V = km/s Nach dem Additionstheorem von Einstein gilt Relativgeschwindigkeit v R = km/s V = km/s Der Gültigkeitsbereich unseres gesunden Menschenverstandes ist nicht so groß, wie man glaubt!!
32 Flucht in s All (1) 1. kosmische Geschwindigkeit: Erdanziehungskraft = Zentrifugalkraft: mg R r = 2 v m r Kreisbahn mit Erdradius r = R 0 : 2 mg v K 0 0 = = v m R g 0 2 K 0 0 R 0 = 7,91 km/s
33 Flucht in s All (2) 2. kosmische Geschwindigkeit oder Fluchtgeschwindigkeit: ENERGIE- oder VIS-VIVA Gleichung, für die Erde: 1 2 v 2 g0r r 2 0 = ε = 1 2 v 2 Im unendlichen: v = 0 v v 2 Flucht Flucht g0r = 2 R = 0 2g R = 2 v K0 = 11,2km/ 11,2 km/s Potentialtrichter der Erde (potentielle Energie)
34 Flucht in s All (3) ENERGIE- oder VIS-VIVA Gleichung: allgemein: 1 2 γ M 1 2 v = ε = v 2 r 2 Fluchtgeschwindigkeit bedeutet: (Potentialtrichter) Fluchtgeschwindigkeit = Lichtgeschwindigkeit: v Flucht = c γ M rs = 2 v = 2 2 Flucht γ M 2 c v = 0 Singularität Schwarzschildradius (Ereignishorizont) Schwarzschildradius r S und Verhältnis zum tatsächlichen Radius R 0 für einige Himmelskörper: r S r S /R 0 Erde 9 mm 1, Sonne 3 km 4, Neutronenstern 3 km 0,3
35 Flucht in s All (3) ENERGIE- oder VIS-VIVA Gleichung: allgemein: 1 2 γ M 1 2 v = ε = v 2 r 2 Fluchtgeschwindigkeit bedeutet: v = 0 (Potentialtrichter) Fluchtgeschwindigkeit = Lichtgeschwindigkeit: v Flucht = c Singularität Schwarzschildradius (Ereignishorizont) r S γ M = 2 v = 2 2 Flucht γ M 2 c Karl Schwarzschild 1916 Schwarzschildradius r S und Verhältnis zum tatsächlichen Radius R 0 für einige Himmelskörper: r S r S /R 0 Erde 9 mm 1, Sonne 3 km 4, Neutronenstern 3 km 0,3
36 Source: ESA, NASA/RPIF, STScT
37 Um s Galaktische Zentrum (1) Position des Sterns S2 Zeitraum: a = 5,5 Lichttage v = ~500 km/s SHARP (NIR Speckle Imaging Camera) vom NTT-Teleskop der ESO, La Silla, Chile. Black Hole: Sonnenentfernung: ca Lj ( 8 kpc) Radius: 17 Lichtstunden Masse: 3,5 ± 1,5 Mio. M s (Quelle: MPE /UCLA)
38 Um s Galaktische Zentrum (2) Quelle: MPE
39 Um s Galaktische Zentrum (2) Quelle: MPE
40 Um s Galaktische Zentrum (3) Quelle: MPE Signale aus dem Schwarzen Loch: Die beiden Fotos vom 9. Mai 2003 zeigen Momentaufnahmen des galaktischen Zentrums. In dem mit einem Kreis markierten Bereich vermuten die Astronomen das supermassereiche Schwarze Loch. Auf dem rechten Bild blitzt der Flare im Grenzbereich des so genannten Ereignishorizonts auf. Das Kreuz bezeichnet die Position des Sterns S 2, der das Schwarze Loch einmal in 15 Jahren umläuft. Die Aufnahmen besitzen eine Detailauflösung von 0,04 Bogensekunden (entsprechend 45 Lichttagen) und entstanden im nahen Infrarot am ESO-Teleskop Yepun.
41 Um s Galaktische Zentrum (4) Quelle: MPE
42 NASA-Mission CHANDRA Beobachtungen des Zentrums unserer Milchstraße (Sagittarius A): Ein Schwarm von Röntgenquellen Zeitraum: Quellen: NASA
43
44 GQ Lupi b Der erste visuell entdeckte Planet Planetenmasse: ~1-2 Jupitermassen Umlaufzeit: ~ 1000 Jahre Abstand zum Stern: ~ 100 AU Alter: ~ 2 Mio. Jahre (!) Entfernung: ~ 460 LJ Atmosphäre mit Kohlenmonoxid und Wasserdampf Aufnahme: ESO VLT NACO 2,2µm im Juni 2004 Prof. Dr. Neuhäuser Astrophysikalisches Institut der Uni Jena
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