Einführung in die Astronomie & Astrophysik 5.5 Extrasolare Planeten

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1 Einführung in die Astronomie & Astrophysik 5.5 Extrasolare Planeten Wilhelm Kley & Klaus Werner Institut für Astronomie & Astrophysik Kepler Center for Astro and Particle Physics Sommersemester 2011 Astronomie & Astrophysik (SS 2011)

2 5.5 Exoplaneten Übersicht Entdeckungsmethoden Einzelne Objekte Statistische Eigenschaften Dynamik Zusammenfassung Astronomie & Astrophysik (SS 2011) 1

3 5.5.1 Detektion Entdeckungsmethoden Erfolgreiche Detektionsmethoden Stellare Radialgeschwindigkeiten ([1m/s]) (Spektroskopie, 10 5 Spektrallinien) (Doppler-Methode) Sternbedeckungen (Photometrie, Lichtkurve) (Transits) Lichtablenkung (Photometrie, Lichtkurve) (Gravitations-Linsen) Direkte Abbildung (2D Bild) (HR 8799, Fomalhaut) Noch nicht: Astrometrische Entdeckung (Bewegung des Sterns am Himmel) Astronomie & Astrophysik (SS 2011) 2

4 5.5.1 Detektion Radialgeschwindigkeitsmethode a1 a2 Messe: M p M * RG-Amplitude Umlaufzeit K = v sin i P Sternmasse M (aus SP-Typ) (P.Armitage) Sichtlinie des Beobachters um Winkel i gegen Scheibennormale geneigt i = 0 o : Face-On i = 90 o : Edge-On i Für Kreisförmige Bahn: Impulserhaltung: Kepler III: v p = M p sin i = v M = v p M p M K Erhalte immer Minimalmasse eines Planeten ( GM a ) 1/3 P 2πGM Astronomie & Astrophysik (SS 2011) 3

5 5.5.1 Detektion Auswahleffekte Orbital period = survey duration (P.Armitage) log (mass) Detectable Undetectable M p sin i = M K ( ) 1/3 P 2πGM log (semi major axis) Einschränkungen: - Genauigkeit der RG-Messungen (K): 1m/s - Bahnperiode (P ): Beobachtungszeitraum muss länger als P sein Vergleich: v 12.5 m/s (Jupiter), v 9 cm/s (Erde) Astronomie & Astrophysik (SS 2011) 4

6 5.5.1 Detektion Transitmethode Oben: Variation der Sternmasse Unten: Variation der Planetenmasse Relative Einsenkung - bestimmt: Verhältnis Planeten- zu Sternradius - absoluter Planetenradius: brauche Sternradius - bei bekannter RG-Amplitude: Planetenmasse Astronomie & Astrophysik (SS 2011) 5

7 5.5.1 Detektion Die Kepler-Mission Satellit beobachtet gleiches Feld im Sternbild Schwan für 3 Jahre Hunderttausend Sterne gleichzeitig: Helligkeitsvariationen Im Januar über 1000 Planeten-Kandidaten bekannt gegeben siehe: candidates.html Astronomie & Astrophysik (SS 2011) 6

8 5.5.2 Objekte Erstes Objekt: 51 Peg K = 55 m/s P = 4.23 Tage e = 0.00 M = 0.45 M Jup / sin i (Michel Mayor & Didier Queloz, 1995) Amplitude (K), Periode (P ) und Sternmasse (M ) Planetenmasse (M p ) & Abstand (a) Sinusförmige Radialgeschwindigkeitskurve kreisförmige Bahn Astronomie & Astrophysik (SS 2011) 7

9 5.5.2 Objekte Hohe Exzentrizität: 16 Cyg B K = 50 m/s P = 800 Tage e = 0.68 M = 1.68 M Jup / sin i (Cochran, et al., 1997) Abweichungen von Sinuskurve elliptische Bahn Astronomie & Astrophysik (SS 2011) 8

10 5.5.2 Objekte Planeten-System: HD K 1 = 46 m/s K 2 = 34 m/s P 1 = 221 Tage P 2 = 444 Tage M 1 = 1.85 M Jup / sin i M 2 = 1.84 M Jup / sin i (Mayor, et al., 2000) Doppelperiodisch Zwei Planeten (in 2:1 Resonanz) Astronomie & Astrophysik (SS 2011) 9

11 5.5.2 Objekte Planeten-Transits I Hinreichend: Kleinere Instrumente Hier 6cm Refraktor Astronomie & Astrophysik (SS 2011) 10

12 5.5.2 Objekte Planeten-Transits II Venus-Transit am 8. Juni 2004 Astronomie & Astrophysik (SS 2011) 11

13 5.5.2 Objekte Stern HD Beobachtung mit dem Hubble-Space-Teleskop (HST) Stern: M = 1.1 M, R = 1.3R (aus Spektrum) Planet: P=3.52d, i=85.2, e =0, M p =0.69 M Jup, R p =1.54 R Jup Transitbeobachtungen liefern: Physikalische Eigenschaften des Planeten (bei bekannter RG) viele Transitsuchprogramme (Boden & Satellit) Astronomie & Astrophysik (SS 2011) 12

14 5.5.2 Objekte Direkte Abbildung I GQ Lupi M = 0.7 M Abstand: 400 LJ. Alter: 10 6 Jahre M p unsicher 5-40 M Jup? proj. Abstand 100 AE (ESO, April 2005) Astronomie & Astrophysik (SS 2011) 13

15 5.5.2 Objekte Direkte Abbildung II Stern: HR 8799 Sternbild: Pegasus Helligkeit: 6. Größenklasse Masse: 1.5M Sonne Alter: 60 Mio. Jahre Abstand: 130 Lichtjahre 3 Planeten (2008) 4. Planet (2010) Astronomie & Astrophysik (SS 2011) 14

16 5.5.2 Objekte Direkte Abbildung III Planeten: Abstand 24, 38, 68 AE Massen: 10, 10, 7M Jup Planetenbewegung! zum ersten Mal direkt beobachtet! neuer Planet: 14.5 AE Zwei weitere Systeme: - Fomalhaut - β Pic Astronomie & Astrophysik (SS 2011) 15

17 5.5.2 Objekte Planetensystem (Sternbild Krebs) 5. Planet um 55 Cnc (41 Lichtjahre Abstand, M = 0.95 M ) # Periode Abstand Masse [Tage] [AE] [M Jup ] e 2,79 0,038 0,024 b ,115 0,836 c 44,38 0,241 0,169 f 260,67 0,785 0,144 d 5371,82 5,901 3,923 Habitabel (bewohnbar)? Astronomie & Astrophysik (SS 2011) 16

18 5.5.2 Objekte Planetensystem (Gliese 581) Ein System mit Super-Erden (Massen zwischen 1-10 M Erde ) Astronomie & Astrophysik (SS 2011) 17

19 5.5.2 Objekte HD b Erdgas auf 63 Lichtjahre entferntem Planeten entdeckt (Schwäbisches Tagblatt, 20.Mai 2008) Transmissionsspektrum vom HST; (Nature, ) Hier: Methan, CH 4 Transmissionspektroskopie: erlaubt Bestimmung der Zusammensetzung der Atmosphäre des Planeten Astronomie & Astrophysik (SS 2011) 18

20 5.5.3 Statistik Entdeckungen Quelle: Astronomie & Astrophysik (SS 2011) 19

21 5.5.3 Statistik Bekannte Exoplaneten Planetenkandidaten um sonnenähnliche Sterne Total 550 (April 2011) Bedeckende Planeten (Transits): 120 Systeme mit 2 oder mehr Planeten: 60 Planetensysteme in Doppelsternen: 40 Planetensysteme in Resonanz: 8-10 Anteil der Sterne mit Planeten: 13% Liste: Bild: (by Greg Laughlin) Astronomie & Astrophysik (SS 2011) 20

22 5.5.3 Statistik Stern-Masse (Johnson et al. 2007) Planetenhäufigkeit steigt mit Sternmasse Astronomie & Astrophysik (SS 2011) 21

23 5.5.3 Statistik Stern-Metallizität Fischer & Valenti (2005)... und mit Sternmetallizität Astronomie & Astrophysik (SS 2011) 22

24 5.5.3 Statistik Masse-Radius Relation Aus Transitbeobachtungen. Universelle Relation? Astronomie & Astrophysik (SS 2011) 23

25 5.5.3 Statistik Masse gegen Abstand Kleine Abstände (heiße Jupiter) & große Massen 100 Radial Velocity Transit Solar (Data: exoplanet.eu) 10 Mass [M_Jup] M Erde = M Jup a Merkur = 0.4AE Distance [AU] Astronomie & Astrophysik (SS 2011) 24

26 5.5.3 Statistik Direkte Abbildung Große Abstände (einige 100 AE) (Data: exoplanet.eu) 100 Radial Velocity Transit Solar Imaged 10 Mass [M_Jup] Distance [AU] Astronomie & Astrophysik (SS 2011) 25

27 5.5.3 Statistik Exzentrizität gegen Abstand Große Exzentrizitäten (ähnlich zu Doppelsternen) (Daten: exoplanet.eu) 1 Radial Velocity 0.9 Transit Solar Eccentricity Distance [AU] Astronomie & Astrophysik (SS 2011) 26

28 5.5.4 Dynamik Turning Planetary Theory Upside Down ESO press release am 13. April, 2010 Misalignment of planetary orbit and stellar rotation Astronomie & Astrophysik (SS 2011) 27

29 5.5.4 Dynamik Rossiter McLaughlin Effekt Variation der Radialgeschwindigkeitskurve (RG) während Bedeckung Planet bedeckt erst auf uns zukommende, dann sich von uns entfernende Sternseite. Änderung der RG-Kurve im Transit Bestimmung der Neigung der Bahn gegen Sichtlinie möglich Zuerst bei Doppelsternen angewandt (um etwa 1924) Astronomie & Astrophysik (SS 2011) 28

30 5.5.4 Dynamik Effekt auf RG-Kurve Joshua Winn (Winn et al. 2008) Astronomie & Astrophysik (SS 2011) 29

31 5.5.4 Dynamik Bahnneigung Himmelsprojizierter Winkel (Daten: exoplanet.eu, Matsumura et al., 2010) Transit Lambda [deg] Distance [AU] Stark geneigte und retrograde Bahnen Astronomie & Astrophysik (SS 2011) 30

32 5.5.4 Dynamik Resonante Planeten Total: 550 Planeten Systeme: 60 Resonant: 10 Haben rationales Periodenverhältnis Bspl. System GJ 876 M b,c = 0.56, 1.9 M Jup P b,c = 30, 60 [Tage] a b,c = 0.13,.21 [AE] e 1,2 = 0.24,.04 Periastron-Shift: ϖ = - 41 [deg/yr] (Lee, 2002) Die meisten Systeme haben 2:1, dann 3:1, eins 3:2 Stabilität: Relative Orientierung der Apsidenlinie ist wichtig Entstehung: Brauche Mechanismus, welcher Abstände ändert Astronomie & Astrophysik (SS 2011) 31

33 5.5.4 Dynamik Das System: Kepler 9 Entdeckt durch: Transit-Timing-Variations Mehrere Planeten bedecken Stern! Flaches System. d.h.: i = 90 o M 1,2 = 0.252,.171 M Jup P b,c = 19.2, 38.9 [Tage] a 1,2 = 0.140,.225 [AE] (oklo.org) Plus weiterer erdähnlicher Planet? 2:1 Resonanz! (Holman ea., 2010) Astronomie & Astrophysik (SS 2011) 32

34 5.5.4 Dynamik Signal eines Multi-Planet-System Astronomie & Astrophysik (SS 2011) 33

35 5.5.5 Zusammenfassung Ein Vergleich Wesentliche Unterschiede zwischen solaren und extrasolaren Planeten: Sonnensystem ExoPlaneten Planetenmasse klein hoch Halbachse groß klein Exzentrizität klein hoch Bahnneigung klein groß Bahnresonanzen keine einige Was ist ein Planet? Astronomie & Astrophysik (SS 2011) 34