Auf der Suche nach der zweiten Erde II. Wie findet man ExoPlaneten? Das Planetensystem Trappist-1

Transkript

1 Auf der Suche nach der zweiten Erde II. Wie findet man ExoPlaneten? Das Planetensystem Trappist-1 Max Camenzind Kleine Akademien

2 Saturn Cassini Infrarot

3 Jupiter JunoCam

4 Zusammenfassung ExoPlanet I Es gibt ca. 300 Mrd. Sterne in der Milchstraße: Die meisten von diesen weisen Planetensysteme auf. Interessant sind nur Sterne mit einer Masse unter 2 Sonnenmassen, da sie sonst zu kurz leben (mindestens ein 2 Mrd. Jahre). Die meisten Sterne in Sonnenumgebung sind Rote Zwerge mit Masse < Sonnenmasse/2. Exoplaneten werden heute in 5 Kategorien eingeteilt: Mars-artige, Erd-artige, Super-Erden, Neptun- und Jupiter-artige Gasplaneten. Wesentlich ist der Begriff der Habitablen Zone.

5 Typen von Planeten 4 Gesteinsplaneten Super-Erden fehlen im Sonnensystem 4 Gasplaneten Erd-ähnlich Super-Erden Jupiter-artig Neptun-artig

6 Habitable Zone Wasser existiert in flüssiger Form Zu heiß Zu kalt

7 Unser Planetensystem - Sehr geordnet - der Normalfall?

8 Die meisten Sterne sind Rote Zwerge Alle haben Planeten

9 Es gibt kleine Sterne (Zwerge) und große Sterne (Riesen) Die meisten Sterne sind Zwerge 3000 K K K Ungeeignet für Planetensysteme!

10 Unsere Nachbarn Alpha-Centauri

11 Der nächste Exoplanet Proxima b

12 Themen ExoPlanet II Geschichtliches zur Planetensuche. Methoden der Entdeckung: Direkte Detektion; Radialgeschwindigkeitsmethode; Transit-Photometrie am Beispiel Trappist-1: 7 Erden vor der Haustüre! Aktueller Forschungsstand: Kepler-Daten. Zukünftige Missionen: Plato, TESS, CHEOPS, Auf der Suche nach Biomarkern?

13 Video: Serge Brunier Auf den Spuren der ExoPlaneten Mit diesem Teleskop in Haute-Provence hat Michel Mayor den 1. Exoplaneten gefunden

14 Wonach suchen wir? Sterne: Selbstgravitierende Gaskugeln, Energiebedarf wird/wurde durch (Wasserstoff-) Fusion gedeckt (davon 300 Mrd. in der Galaxis). Grenzmasse von 0,08 M = 80 M J Braune Zwerge: Energiebedarf wird anfänglich durch Deuteriumfusion gedeckt, nur Kontraktion. Grenzmasse von 0,013 M =13 M J Planeten: Keine Fusionsprozesse, Umwandlung nur von potentieller Gravitations-Energie bei Kontraktion + Einstrahlung vom Stern.

15 Das Grundproblem: Planeten sind extrem lichtschwach werden durch ihre Muttersterne total überstrahlt erzeugen keine eigene Lichtleistung

16 Das Grundproblem: Planeten sind hell, da nahe

17 Planetensuche Dist < 1000 LJ Innerhalb von 300 LJahren gibt es ~1 Mio Sterne Ganze Galaxis: 300 Mrd Sterne LJahre

18 ExoPlaneten-Suche bis 2013 Transit-Methode Mikrolensing Dopplermethode

19 ExoPlaneten-Suche bis Transit-Methode 1696 Planeten um 1027 Sterne Transit Lichtkurven Dopplermethode

20 ExoPlaneten-Suche bis 2016

21 Methoden der ExoPlaneten-Suche 1. Direkte Methode nur bei Braunen Zwergen Stern muss lichtschwach sein

22 Gemini Süd Chile Cerro Pachon

23 Gemini Planet Imager

24 Discovery image of the planet 51 Eridani b with the Gemini Planet Imager taken in the near-infrared light on Dec

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26 Jupiter-artiger Planet 51 Eri b Nur 20 Mio. Jahre alt, 100 Lj entfernt

27 Stern und Planet bewegen sich um gemeinsamen Schwerpunkt

28 Bewegung um Schwerpunkt

29 Lage Schwerpunkt bez. Sonne

30 2. Die Doppler-Methode Doppler-Verschiebung der Fraunhofer-Linien durch Sternbewegung um den Schwerpunkt Schwerpunkt Planetensystem

31 Winkelabhängigkeit Dopplerverschiebung Bahn von der Seite: Doppler-Verschiebung optimal messbar Bahn von oben: Doppler-Verschiebung nicht messbar = 0.

32 Dopplermessungen Beispiele Mayor & Queloz 1995, Nature 378, 355; bestätigt von Butler & Marcy 1997

33 The first month of observations of 51 Peg from the Lick Observatory Planet Search, October-November 1995.

34 51 Peg b Jupiter-artiger Planet P = 4,2 d; Dist = 50 Lyr; Sterntyp G; Alter=7 Mrd

35 Beispiel: Gliese 436b

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37 Wo finde ich Daten zu ExoPlaneten? Archiv:

38 Histogramm Doppler-Amplituden Instrumentelle Grenze

39 Histogramm Planetenmassen M sini Neptun-artige Jupiter-artige

40 3. Die Transit - Photometrie Periodische Helligkeitsänderung aus Sternbedeckung. Helligkeitsänderung ist proportional zum Radiusverhältnis 2 (R pl /R * ) 2 ~ 0,001 Begrenzt durch intrinsische Sternvariationen und Erdatmosphäre. sin i in engen Grenzen bekannt, i ~ 90 Grad. Bevorzugt enge Systeme. Kann mit Dopplerspektroskopie kombiniert werden, d.h. daraus kann die Dichte abgeleitet werden. Erster Transit-Planet (Charbonneau & Brown 2000, ApJ Letter 529, 45; Henry et al. 2000, ApJ Letter 529, 41) 2 Planeten gefunden (Konacki et al, 2003; Dreizler et al. 2003).

41 Venus-Transit Nächster 2117

42 Solarkonstante Venus-Transit Einsenkung um 1 Promille

43 Der erste Transit-Planet HD V = 7,6 mag 1,6% Einsenkung dauert 3 Stunden alle 3,5 Tage STARE: 10 cm Teleskop Charbonneau & Brown (2000)

44 Tenerifa

45 HST/STIS HD Transits Brown et al. (2001) R p = 1,35 ± 0,06 R Jup i = 86 o,6 ± 0 o,2 1%

46 SuperWASP Nord (Wide Angle Search for Planets) La Palma

47 SuperWASP Süd (Wide Angle Search for Planets) Süd Afrika

48 Planetenmahlzeit P = 1,09 d

49 Parameter aus Transit-Messung Transit Frequenz ergibt BAHN-GRÖSSE a Bahnachse zusammen mit Stern-Temperatur sagt uns, ob der Planet in der Habitablen-Zone. Transit Dauer, Tiefe, PLANETENRADIUS Radius und Masse (mit Doppler-Messung des wobble ) DICHTE Dichte des Planeten chemische Zusammensetzung.

50 TRAPPIST-1 Eine Welt mit 7 Erden Roter Zwergstern in 40 Lichtjahren Entfernung

51 Trappist-1 & 7 Planeten

52 40 Lichtjahre entfernt

53 70 % aller Sterne sind Rote Zwerge

54 Der Stern TRAPPIST K Trappist-1 2MASS J Parallaxe: 82,6 mas Masse: 0,082 M S Radius: 0,117 R S Eff. Temp: 2560 K Spektralkl.: M8V Helligkeit: 18,8 mag Leuchtkraft: 0,0005 Rotation: 1,40 d

55 TRAPPIST-Teleskop auf La Silla

56 ESO Observatorium auf La Silla, Chile

57 TRAPPIST-Teleskop auf La Silla Das 60-cm Teleskope wird von Liège, Belgien, aus bedient km entfernt. TRAPPIST = Transiting Planets and PlanetesImals Small Telescope

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59 500 Stunden mit Spitzer-Teleskop 2016

60 TRAPPIST-1 Transits: This plot of Spitzer photometric data shows how the brightness of the star TRAPPIST-1 changes during transits of each of its planets. (ESO/Gillon et al. 2017)

61 Trappist-1 Planeten Bahnverteilung Wie bestimmt man die Bahn- Radien? Wie kann man die Massen der Planeten bestimmen?

62 Die 7 Planeten von Trappist-1/Spitzer 24,2 d 0,06 AU

63 Masse-Radius von Planeten & Sternen Volatile = leichtflüchtig (chem.) Neptune Monde Erden Jupiter Quelle: Chen & Kipping, 2016

64 Massen-Radius Beziehung: This plot of planet mass versus radius shows the the inner six exoplanets of the TRAPPIST-1 system in addition to other selected planets with the error in mass and radius indicated. Theoretical curves for planets of various compositions are shown with an Earth-like composition in black. (M. Gillon et al.) R ~ M 0,28 Die inneren 3 Planeten b, c, d dürften kein Wasser aufweisen! verdampft (Venus)!

65 TRAPPIST-1 3 Planeten e, f, g in der habitablen Zone

66 Kepler Mission NASA A Search for Habitable Planets K2-Mission

67 Kepler Mission March 6, 2009

68 Kepler: 1,4-m Schmidt Teleskop

69 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

70 6. März, :48 PM Liftoff!

71 Periode = 372,5 d Gewicht: 1 t

72 Eine Handbreit am Himmel Sterne

73 Photometrie von Transits Periodische Helligkeitsänderung durch Sternbedeckung Helligkeitsänderung ist proportional zum Radiusverhältnis 2 (R pl /R * ) 2 ~ 0,01 0,0001

74 Transit Lichtkurven mit Kepler

75 Erdähnlicher Transit 0,0003

76 Histo Transit-Tiefe (R * /R P )² Jupiters Erden

77 Histogramm Transit-Dauer 1 h M-Zwerge Sonnenartig

78 Erstes Licht Kepler Feld

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80 Ziel 1: Bestimme die Häufigkeit der terrestrischen und Jupiter Planeten in oder nahe der habitablen Zone für verschiedene spektrale Stern-Typen. Ziel 2: Bestimme die Verteilung der Größe und Bahnhalbachsen aller Planeten. Ziel 3: Bestimme die Häufigkeit von Planeten und ihrer Bahnelemente in multiplen stellaren Systemen. Ziel 4: Bestimme die Verteilung von Halbachsen, Albedo, Größe, Masse und Dichte von kurzperiodischen Riesenplaneten

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86 Mai 2016: 1284 Neue Kepler-Planeten, Keiner wie die Erde

87 Ist Sonnensystem Normalfall?

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90 Statistische Analysen mit Kepler

91 Distanz aus Parallaxe

92 ExoPlaneten H mag / Kepler

93 F-Sterne K-Sterne G-Sterne ExoP-Sternmassen / Kepler M-Sterne A-Sterne

94 ExoP-Sterntemperaturen G-Sterne M-Sterne K-Sterne F-Sterne

95 Planeten und ihre Muttersterne Sterne werden aufgrund ihrer Oberflächentemperatur in Kategorien eingeteilt: M K G F A B - O Proxima Centauri Sonne Sirius K 5600 K K Kepler hat gezeigt, dass sonnenartige Sterne (sog. G- Sterne) von Planeten bevorzugt werden. Problem: Was ist mit M-Sternen? Auswahleffekt?

96 Histo Planetenmassen / Kepler Super- Erden Der typische Exoplanet ist eine Super-Erde, die es im Sonnensystem nicht gibt. Resonanz bei Jupiter? Mars Erden Neptune Jupiters

97 3 Gruppen von ExoPlaneten Hot Jupiter Jupiter Neptun 4 innere Planeten Erden+Super-Erden + Mini-Neptune Gezeitengrenze M. Camenzind 2016

98 ExoP Halbachse/Sternradius Erde Jupiter Roche- Grenze

99 Gezeitengrenze & Verdampfung Merkur Erde Histogramm Bahn-Halbachsen Kepler Die typische Halbachse eines Exoplaneten liegt innerhalb der Merkurbahn. Kepler nach 4 Jahren: bis zu 2 AE

100 Gezeitengrenze & Verdampfung Merkur Erde Histogramm Bahnperioden Kepler Die typische Bahnperiode eines Exoplaneten beträgt nur 10 Tage. Kepler nach 4 Jahren: bis zu 2 a!

101 Histo Planeten Radien + Kepler Mars Erden Super- Erden Neptune Jupiters Hot Jupiters

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104 G2V 5770 K K2V 4700 K 2. Sonnensystem?

105 K2V Leuchtkraft in % Sonnenleuchtkraft 5,7 d 12,4 d 18,2 d 122,4 d 267,3 d Lebensfreundliche ExoPlaneten Lisa Kaltenegger 2013 Solarkonstante in % der Erd-Solarkonstante

106 Super-Erden Kepler-62e, f

107 Das Kepler-186 Planetensystem P = 130 d; M-Stern mit 0,48 M S ; F 186f ~ F S /3; F S = 1361 W; d = 500 LJ; R = 1,3 R E

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109 Das System Kepler-186 Planet Masse a [AE] P [d] Ecc e Inklinat Radius b -- 0,0378 3,88679 < 0,24 83,86 1,08 R E c -- 0,0574 7,26730 < 0,24 85,94 1,25 d -- 0, ,3429 < 0,25 87,09 1,39 e -- 0, ,4077 < 0,24 88,24 1,33 f -- 0, ,949 < 0,34 89,9 1,13

110 Super-Erden Kepler-186f Grafik: Lisa Kaltenegger 2013

111 Irdische Planeten Nadel im Heuhaufen Mindestens alle isoliert lebenden Sterne zwischen 0,3 und 2 Sonnenmassen ( K) dürften Planetensysteme entwickelt haben. Massereiche Sterne leben zu kurz und sind zu heiß, um Planetensysteme auszubilden. Sehr massearme Zwerg-Sterne sind zu kühl. Es könnte in der Milchstraße damit etwa einige Milliarden (terrestrische) Planeten in der habitablen Zone geben. Wieviele von diesen Planeten tatsächlich höheres Leben entwickelt haben, ist noch schwer abzuschätzen < 0,01% > 1 Mio. Sterne überwachen Planeten mit Leben zu finden.

112 Biomarker auf ExoPlaneten / Kaltenegger

113 Mission Roadmap Science Roadmap Vollständige Erfassung ExoPlaneten < 300 pc Zukunft Charakterisierung der Welt der ExoPlaneten Unsere nächsten Nachbarn: Überwachung von Planetensystemen und Suche nach Habitablen Klimas Auswandern? Ground-Based Mission-Supporting Observations: CARMENES,.. TESS/NASA PLATO/ESA JWST HST WFIRST+C F-DIM: (Flagship Direct Imaging Mission) Spitzer Kepler Transit Char. Mission? Astrometry Mission?

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115 Future: TESS = Kepler 2.0 NASA Satellit 2017 / 200 Mio. Transiting Exoplanet Survey Satellite Wird 2,5 Mio. Sterne in der Sonnenumgebung überwachen! d < 100 pc

116 Der Himmel mit TESS

117 Suche nach ExoPlaneten bei 300 M-Zwergen / Calar Alto

118 CARMENES hängt am 3,5 m Calar Alto

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

120 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

121 Zusammenfassung Planeten entstehen bei (fast) allen massearmen und sonnenartigen Sternen: von 0,1 2 Sonnenmassen. Doppler-Methode findet vor allem massereichere Planeten HARPS systematische Untersuchung 50 neue Planeten gefunden auch mit Super-Erden. Transit-Methode beste Methode Ergebnisse von Kepler für P < 300 Tage ergaben 4200 Kandidaten (KOIs) aus Sternen (2015) Überwachung von ~ 1 Mio. Sternen über 10 Jahre 1 lebensfreundliche Erde! Mit Transitmethode werden nur etwa R * /a = 0,5-1% aller sonnenartigen Sterne erfasst! Ergebnisse für P < 2 Jahre in Bearbeitung. Irdische Planeten mit Leben JWST ab 2020!

122 Der Adler-Nebel & Messier 16 / HST Sterne entstehen überall Milchstraße Die dichten, staubhaltigen Säulen werden als Elefantenrüssel oder Säulen der Schöpfung beschrieben, sie ragen nahe der Mitte hoch, sind Lichtjahre lang, kollabieren durch Gravitation und bilden Sterne. Energiereiche Strahlung von den Haufensternen (blau) erodiert die Materie an den Spitzen und legen schlußendlich die eingebetteten neuen Sterne frei.