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)
5.5 Exoplaneten Übersicht 5.5.1 Entdeckungsmethoden 5.5.2 Einzelne Objekte 5.5.3 Statistische Eigenschaften 5.5.4 Dynamik 5.5.5 Zusammenfassung Astronomie & Astrophysik (SS 2011) 1
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
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
5.5.1 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
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
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: http://archive.stsci.edu/kepler/planet candidates.html Astronomie & Astrophysik (SS 2011) 6
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
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
5.5.2 Objekte Planeten-System: HD 82943 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
5.5.2 Objekte Planeten-Transits I Hinreichend: Kleinere Instrumente Hier 6cm Refraktor Astronomie & Astrophysik (SS 2011) 10
5.5.2 Objekte Planeten-Transits II Venus-Transit am 8. Juni 2004 Astronomie & Astrophysik (SS 2011) 11
5.5.2 Objekte Stern HD 209458 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
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
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
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
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 14.65 0,115 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
5.5.2 Objekte Planetensystem (Gliese 581) Ein System mit Super-Erden (Massen zwischen 1-10 M Erde ) Astronomie & Astrophysik (SS 2011) 17
5.5.2 Objekte HD 189733b Erdgas auf 63 Lichtjahre entferntem Planeten entdeckt (Schwäbisches Tagblatt, 20.Mai 2008) Transmissionsspektrum vom HST; (Nature, 20.3.2008) Hier: Methan, CH 4 Transmissionspektroskopie: erlaubt Bestimmung der Zusammensetzung der Atmosphäre des Planeten Astronomie & Astrophysik (SS 2011) 18
5.5.3 Statistik Entdeckungen Quelle: http://exoplanet.eu/ Astronomie & Astrophysik (SS 2011) 19
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: http://exoplanet.eu/ Bild:http://oklo.org/ (by Greg Laughlin) Astronomie & Astrophysik (SS 2011) 20
5.5.3 Statistik Stern-Masse (Johnson et al. 2007) Planetenhäufigkeit steigt mit Sternmasse Astronomie & Astrophysik (SS 2011) 21
5.5.3 Statistik Stern-Metallizität Fischer & Valenti (2005)... und mit Sternmetallizität Astronomie & Astrophysik (SS 2011) 22
5.5.3 Statistik Masse-Radius Relation Aus Transitbeobachtungen. Universelle Relation? Astronomie & Astrophysik (SS 2011) 23
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] 1 0.1 M Erde = 1 300 M Jup a Merkur = 0.4AE 0.01 0.01 0.1 1 10 Distance [AU] Astronomie & Astrophysik (SS 2011) 24
5.5.3 Statistik Direkte Abbildung Große Abstände (einige 100 AE) (Data: exoplanet.eu) 100 Radial Velocity Transit Solar Imaged 10 Mass [M_Jup] 1 0.1 0.01 0.01 0.1 1 10 100 1000 Distance [AU] Astronomie & Astrophysik (SS 2011) 25
5.5.3 Statistik Exzentrizität gegen Abstand Große Exzentrizitäten (ähnlich zu Doppelsternen) (Daten: exoplanet.eu) 1 Radial Velocity 0.9 Transit Solar 0.8 0.7 Eccentricity 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0.01 0.1 1 10 Distance [AU] Astronomie & Astrophysik (SS 2011) 26
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
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
5.5.4 Dynamik Effekt auf RG-Kurve Joshua Winn (Winn et al. 2008) Astronomie & Astrophysik (SS 2011) 29
5.5.4 Dynamik Bahnneigung Himmelsprojizierter Winkel (Daten: exoplanet.eu, Matsumura et al., 2010) 200 150 100 Transit Lambda [deg] 50 0-50 -100-150 -200 0.01 0.1 1 Distance [AU] Stark geneigte und retrograde Bahnen Astronomie & Astrophysik (SS 2011) 30
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
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
5.5.4 Dynamik Signal eines Multi-Planet-System Astronomie & Astrophysik (SS 2011) 33
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