Exoplaneten. Vortrag von Dr. Michael Theusner. Volkssternwarte Hannover,

Transkript

1 Exoplaneten Vortrag von Dr. Michael Theusner Volkssternwarte Hannover,

2 Vortragsübersicht Einleitung Detektionsmethoden Das Kepler-Projekt Die habitable Zone Zukünftige Projekte 2

3 Einleitung was sind Exoplaneten? Ein Planet außerhalb des Sonnensystems. 3

4 Einleitung was sind Exoplaneten? Arbeitsdefinition der IAU Objekt muss einen Stern umkreisen Objekt muss eine Masse kleiner als 13 Jupitermassen haben Grenze für Fusion von Deuterium Untere Grenze sollte wie bei uns definiert sein Substellare Objekte mit Masse größer 13 Jupitermassen sind Braune Zwerge, keine Planeten Freischwebende Objekte mit Masse kleiner als 13 Jupitermassen sind Sub-Braune Zwerge (keine Planeten) Quelle: Working Group on Extrasolar Planets Definition of a Planet, Stand vom

5 Einleitung was sind Exoplaneten? Zusammengefasst Objekt darf nicht zu groß oder zu klein sein Kein Brauner Zwerg Kein Zwergplanet oder Asteroid Darf kein eigenes, sichtbares Licht aussenden 5

6 Einleitung Geschichte Seit Jahrtausenden Spekulationen Griechen Demokrit, Epikur (4. Jhd v. Chr.) Giordano Bruno (1584) Bekanntgabe angeblicher Entdeckungen seit dem 19. Jahrhundert 1855: Doppelstern 70 Ophiuchi (Bahnanomalie?) 1890: siehe oben, Umlaufzeit 36 Jahre 1950er bis 1985: Barnards Pfeilstern (Bahnanomalie?) 1989 bis 1994: Ganze Serie von angeblichen Entdeckungen 6

7 Einleitung Geschichte Erste bestätigte Entdeckungen 1988: Exoplanet um Gamma Cephei vermutet Campbell, Walker und Young Erst 2003 endgültig bestätigt 1989: Möglicher Brauner Zwerg um HD Später als Exoplanet eingestuft 1992: 3 Exoplaneten um einen Pulsar entdeckt Wolszczan und Frail 1994: Weiterer Pulsarplanet 1995: Exoplanet um 51 Pegasi Mayor und Queloz 7

8 Einleitung aktueller Stand Seit 1995 Flut von Entdeckungen! Bislang bestätigt 813 Planetensysteme 178 Planetensysteme mit mehr als einem Planet 1075 Exoplaneten insgesamt 8

9 Einleitung aktueller Stand Zahl der bestätigten Entdeckungen pro Jahr Anzahl Entdeckungen Quelle: exoplanet.eu 9

10 Einleitung Namen der Exoplaneten Werden Exoplaneten benannt? Name des Sterns + kleiner Buchstabe (ab b ) Buchstaben in der Reihenfolge der Entdeckung b, c, d, Sonst ständige Änderung 51 Pegasi b; 47 UMa b, c 10

11 Einleitung Namen der Exoplaneten Stellungnahme der IAU vom : 1. assigning popular names to the numerous extrasolar planets being discovered, and 2. allowing the public to be involved in that naming process. 11

12 Einleitung Namen der Exoplaneten xkcd 1253: August 2013: Die Internationale Astronomische Union beschließt, Exoplaneten Namen zu geben und daran die Öffentlichkeit zu beteiligen. Sie bereut das sofort. Können wir nicht die schlimmsten rausfiltern? Das ist nach dem Filtern! 12

13 Detektionsmethoden Wie kann ich einen Exoplaneten finden? Probleme: Leuchtet nicht selbst, reflektiert nur ein wenig Steht extrem nah am Heimatstern (überstrahlt) Sehr leicht (< 13 M Jup ) Geringer gravitativer Effekt auf Heimatstern 13

14 Detektionsmethoden 1980 in Sky & Telescope vorgeschlagene Methoden 1. Studie der Eigenbewegungen 2. Detektion einer Sternenfinsternis (Transitmethode) 3. Direkte Fotografie 4. Verschiebung der Spektrallinien (Radialgeschwindigkeitsmethode) 14

15 Detektionsmethoden existent möglich in Jahren Erfolge Dynamik Methoden der Exoplanetendetektion Photometrie Masse 10 Jupiter 1 Jupiter Weiße Zwerge Bed. veränd. TZV Radialgeschw. Astrometrie Microlensing astrometrisch direkte Abbildung All Boden Doppler Transits Boden refl. Licht 10 Erden Pulsare photometrisch All 1 Erde Quelle: M. Perryman, exoplanet.eu 15

16 Detektionsmethoden Bisherige Entdeckungen Astrometrie: 2 (dynamisch) Transit: 434 (photometrisch) Direkte Abbildung: 47 (photometrisch) Radialgeschwindigkeit: 545 (dynamisch) Microlensing: 27 Timing (Zeitnahme): 16 (dynamisch) 16

17 Detektionsmethoden Radialgeschwindigkeitsmethode (v rad ) Transitmethode Microlensing Direkte Abbildung 17

18 Detektionsmethoden V rad Indirekte Detektion der Gravitationswirkung eines Planeten Verschiebung der Spektrallinien Quelle: NOAO/AURA/NSF 18

19 Detektionsmethoden V rad Der Dopplereffekt 19

20 Detektionsmethoden V rad Warum bewegt sich der Stern? Planet und Stern kreisen um gemeinsames Massenzentrum Hin- und Herbewegung des Sterns Dopplereffekt bewirkt Verschiebung der Spektrallinien 20

21 Detektionsmethoden V rad Änderung der Radialgeschwindigkeit Richtung Erde 21

22 Detektionsmethoden V rad Vorgehensweise Wiederholte Aufnahme eines Spektrums Lage der Spektralinien Berechnung der Radialgeschwindigkeit Erstellung einer Zeitreihe periodisch? 22

23 Detektionsmethoden V rad Was für Planeten können detektiert werden? v Stern = M M Planet Stern G r Verhältnis M Planet /M Stern sollte groß sein Abstand r sollte klein sein Schwerer Planet nah am Heimatstern Umlaufzeit kurz, Periode schneller offensichtlich 23

24 Detektionsmethoden V rad Verteilung der Umlaufzeiten Verteilung der Planetenmassen 10 Tage 100 Tage 1000 Tage U S J Saturn = 0,3 M Jup Uranus = 0,045 M Jup Erde = 0,003 M Jup 0,01 M Jup 0,1 M Jup 1 M Jup 10 M Jup 24

25 Detektionsmethoden Transits Vorbeizug eines Planeten vor Heimatstern Detektion einer Sternenfinsternis Abnahme der beobachteten Helligkeit Vorgeschlagen von O. Struve, 1952 Quelle: CNES 25

26 Detektionsmethoden Transits Transits sind selten (Geometrie!) 10% Planeten mit engen Umlaufbahnen Niedriger für weit entfernte Planeten Überwachung vieler Sterne gleichzeitig Quelle: Nikola Smolenski, Wikipedia 26

27 Detektionsmethoden Transits Transitprofile (p = d Planet /d Stern ) p h 2.7% 1.0% 0.3% 27

28 Detektionsmethoden Transits Beispiellichtkurven Hubble: HD XO-Project: XO-1 Quelle: Brown et al. (2000) Quelle: McCullough et al. (2006) 28

29 Detektionsmethoden Transits Eigene Messung HD Stern nahe M27 im Füchschen 6 cm Linsenfernrohr DMK-Kamera (Industrie-Webcam) M27 HD Referenzsterne Quelle: M. Theusner 29

30 Detektionsmethoden Transits Atmosphärensignatur S 1 = S Stern Planet Stern S 2 S 1 = S Planet Stern Planet S 2 = S Stern + S Planet 30

31 Detektionsmethoden Transits Verteilung der Umlaufzeiten Verteilung der Planetenmassen E 1 Tag 10 Tage 100 Tage U S J Saturn = 0,3 M Jup Uranus = 0,045 M Jup Erde = 0,003 M Jup 0,001 M Jup 0,01 M Jup 0,1 M Jup 1 M Jup 10 M Jup 31

32 Detektionsmethoden Microlensing Masse wirkt als Gravitationslinse Einstein, 1901 Umlenkung/Verstärkung des Lichts im Gravitationsfeld eines Sterns Effekt radialsymmetrisch Gravitationslinsenwirkung Erde Vordergrundstern Bewegung des Hintergrundsterns 32

33 Detektionsmethoden Microlensing Zusätzliche Verstärkung durch Planeten Keine Radialsymmetrie Bewegung des Hintergrundsterns Planet Vordergrundstern Erde 33

34 Detektionsmethoden Microlensing Beispiel: OGLE 2003-BLG-235 Pfad des Hintergrundsterns Gravitationslinsenwirkung Vordergrundstern Planet Quelle: OGLE Homepage 34

35 Detektionsmethoden Microlensing OGLE 2003-BLG-235 Quelle: OGLE Homepage Quelle: S. Gaudi, Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics 35

36 Detektionsmethoden Microlensing Nachteile Einmaliges auftreten spezielle Konstellation Hinter- und Vodergrundstern Funktioniert nur bei weit entfernten Systemen nachträgliche Überprüfung unmöglich 36

37 Detektionsmethoden Direkte Abbildung Direkte Abbildung eines Planeten neben seinem Stern Hilfreiche Eigenschaften: Großer Abstand Planet-Stern Großer Planet Junge Planeten 37

38 Detektionsmethoden Direkte Abbildung Bisher eher zufällige Entdeckungen 9 bestätigte Planeten Gasriesen, Typ Jupiter Planetensystem HR

39 Das Kepler-Projekt Weltraumteleskop 95 cm Spiegel 1000 kg Start: Missionsdauer: 12/2009 bis 05/2013 Suche nach Transits Beobachtung von Sternen Sternbild Schwan 39

40 Das Kepler-Projekt 40 Quelle: NASA

41 Das Kepler-Projekt Das Photometer Quelle: NASA and Ball Aerospace 41

42 Das Kepler-Projekt Keplers Orbit Erde Kepler nach 4 Jahren Kepler nach 2 Jahren Sonne 42

43 Das Kepler-Projekt Das Bildfeld am Himmel Deneb Schwan Vega Leier Atair Adler 43

44 Das Kepler-Projekt Datenbeispiel 44

45 Das Kepler-Projekt bisherige Ergebnisse 246 bestätigte Exoplaneten 3601 Kandidaten! Quelle: Borucki (2010) 45

46 Die habitable Zone Quelle: Seager (2013) 46

47 Die habitable Zone Erdähnliche Planeten Quelle: Petigura et al. (2013) 47

48 Die habitable Zone Kepler: sonnenähnliche Sterne (G, K) 603 mit Planeten 10 erdähnliche Planeten 22% der sonnenähnlichen Sterne mit erdähnlichen Planeten 48

49 Die habitable Zone erdähnliche Planeten 49

50 Die habitable Zone Woraus bestehen die Exoplaneten? 50 Quelle: Howard (2013)

51 Die Zukunft Gaia Mission der ESA 1 Milliarde Sterne: Position Bewegung Entfernung Physische Eigenschaften Radialgeschwindigeiten seit 01/2014 am Beobachtungsort (L2) Quelle: ESA 51

52 Die Zukunft E-ELT 39-Meter-Teleskop der Europäer (ESO) Direkte Abbildung erdgroßer Exoplaneten? Untersuchung der Atmosphären Fertigstellung 2022 geplant E-ELT VLT 52 Quelle: ESO

53 Die Zukunft TESS Transiting Exoplanet Survey Satellite Sterne untersuchen Erdgroß und größer Start 2017 Quelle: NASA 53

54 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Fragen? 54