Planetologie extrasolarer Planeten

Planetologie extrasolarer Planeten

Mathias Scholz Planetologie extrasolarer Planeten

Mathias Scholz Zittau, Sachsen Deutschland ISBN 978-3-642-41748-1 DOI 10.1007/978-3-642-41749-8 ISBN 978-3-642-41749-8 (ebook) Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar. Springer Spektrum Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2014 Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Planung und Lektorat: Dr. Vera Spillner, Stefanie Adam Einbandentwurf: deblik, Berlin Einbandabbildung: NASA Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier Springer Spektrum ist eine Marke von Springer DE. Springer DE ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Science+Business Media. www.springer-spektrum.de

Meinen Eltern in dankbarer Erinnerung

Vorwort Die Suche und die Erforschung planetarer Körper außerhalb unseres eigenen Sonnensystems der Exoplaneten hat sich in den letzten beiden Jahrzehnten zu einem eigenständigen und auch von der Öffentlichkeit mit großem Interesse verfolgten astronomischen Forschungsgebiet entwickelt. Als Motivation dürfte dabei nicht unwesentlich die Erwartung mitschwingen, irgendwann einmal einen Planeten zu finden, der in seinen Eigenschaften unsere Erde wie einem Zwilling ähnelt und auf dem man dann vielleicht sogar Anzeichen von Leben zu entdecken hofft. Dieses Ziel konnte zwar noch nicht erreicht werden (und die Aufgabe ist wahrlich eine große Herausforderung). Aber die Kataloge der Planetenforscher verzeichnen mittlerweile fast 1000 sichere und über 3580 noch zu überprüfende Exoplaneten bzw. Exoplanetenkandidaten (Stand Okt. 2013), die uns schon jetzt eine unerwartete Vielfalt fremder Welten offenbaren, von denen Einige der Phantasie von Science fiction Autoren entsprungen zu sein scheinen. Man sieht ihre Abbildungen oft auf Webseiten und manchmal sogar in der Tagespresse. Dabei ist nicht allen Betrachtern bewusst, dass es sich hierbei nicht um Fotos, die mit Riesenteleskopen gemacht wurden, sondern zumeist um künstlerische Umsetzungen der Beobachtungsergebnisse und theoretischen Untersuchungen der Astronomen handelt. So gesehen sind diese Exoplaneten-Bilder sicherlich durchaus realistisch und damit ein wichtiges heuristisches Hilfsmittel denn wir wollen ja gerne wissen und uns auch geistig ausmalen können, wie weit entfernte Planeten aussehen und wie es auf ihnen zugeht. Ein Ziel dieses Buches ist es dabei, die Beobachtungstechniken, aber auch die Grundlagen der theoretischen Modelle vorzustellen, die zusammen garantieren, dass die genannten Bilder und die Erkenntnisse, auf denen sie beruhen, nicht nur reine Phantasie sind Einige Beobachtungstechniken der modernen Exoplanetenforschung arbeiten ganz konkret an den gegenwärtigen Grenzen der technischen (und optischen) Möglichkeiten. Insbesondere die Entdeckung und Untersuchung extrasolarer Planeten durch direkte Abbildung in einem Teleskop sowie der spektroskopische Nachweis von Planeten mit einer der Erdmasse vergleichbaren Masse mittels der Radialgeschwindigkeitsmethode ist in diesem Zusammenhang zu nennen. In beiden Fällen ist die ingenieurtechnische Umset-

VIII Planetologie extrasolarer Planeten zung von Detektionsverfahren direkt an die spezifischen Anforderungen der Untersuchungsobjekte gekoppelt und es ist schon erstaunlich, was auf diesem Gebiet in den letzten Jahren geleistet wurde. Immerhin konnten bis heute (Okt. 2013) knapp 40 Exoplaneten direkt in einem Teleskop, d. h. als optisch aufgelöster Punkt, abgebildet werden. Das erscheint nicht viel im Vergleich zu den insgesamt knapp Tausend Exoplaneten, deren Existenz zweifelsfrei nachgewiesen ist. Wenn man aber versteht, was es bedeutet, einen nur im reflektierten Licht seines Muttersterns leuchtenden Planeten in dessen grellen Licht überhaupt sichtbar werden zu lassen und das aus einer Entfernung von vielen Dutzenden bis zu einigen Hundert Lichtjahren, dann kann man diese Leistung nicht hoch genug einschätzen. Das Gros der Exoplaneten ist jedoch auf indirekten Weg durch Ausnutzung diffiziler spektroskopischer und photometrischer Beobachtungsmethoden aufgefunden worden. Obwohl man keinen von ihnen direkt sehen kann, haben die Wissenschaftler doch trickreich Methoden entwickelt, um trotzdem eine Vielzahl ihrer Eigenschaften bestimmen zu können. Auch darüber wird in diesem Buch im Einzelnen zu berichten sein. Eine besonders große Bedeutung für die Exoplanetenforschung haben nicht ohne Grund Weltraumteleskope. Sie erlauben äußerst präzise, von der Atmosphäre unbeeinflusste Messungen, wie sie von irdischen Observatorien sonst kaum möglich sind. Besonders die leider wegen technischer Probleme frühzeitig beendete Mission des speziell für die Exoplanetenforschung konzipierten Kepler-Weltraumteleskops ist an dieser Stelle zu erwähnen. Sie hat so viel Material gesammelt, dass deren Auswertung sicherlich noch einige Jahre benötigen wird. Dabei können sich sogar interessierte Amateurastronomen im Rahmen des citizen science Projekts Planet Hunter (http://www.planethunters.org) an diesen Arbeiten beteiligen und damit selbst zu einem Planetenentdecker werden Apropos Amateurastronomen. Das photometrische Equipment, was manchen von ihnen mittlerweile in Form von Teleskopen und modernen CCD- Kameras sowie dazugehöriger Auswertungssoftware zur Verfügung steht, reicht aus (wie mittlerweile viele Beispiele zeigen), um auch in der Exoplanetenforschung auf dem Gebiet der Exoplaneten-Transits zumindest bezüglich der follow up Beobachtungen mitmischen zu können. Ein weiteres großes Forschungsgebiet, welches mit Exoplanetensystemen im Allgemeinen und unserem Sonnensystem im Speziellen im Zusammenhang steht, ist die Planetenkosmogonie, d. h. die Suche nach einer Antwort auf die alte Frage, auf welche Art und Weise überhaupt Planeten im Kosmos entstehen. Auch auf diesem Gebiet konnten gerade in den letzten Jahrzehnten einige entscheidende Durchbrüche sowohl in beobachterischer als auch in theoretischer Hinsicht erzielt werden, die in der Theorie protoplanetarer

Vorwort IX Scheiben um junge Sterne gipfeln. Wir können heute sicher sein, daß das große Bild (d. h. das Paradigma Planeten entstehen im Zuge der Sternentstehung in deren protoplanetaren Scheiben) weitgehend stimmig ist. Aber viele Details der Planetenentstehung liegen nach wie vor im Dunkeln und bieten damit viele Ansätze für zukünftige spannende Forschungsarbeiten. Kap. 6 in diesem Buch handelt davon. Ein großer Vorteil der heutigen Zeit liegt ohne Zweifel in der Verfügbarkeit des Internets, welches den Zugriff auf ein riesiges Angebot an Informationsmaterial in Form von Fachaufsätzen und Abstracts ermöglicht und zwar ohne dass man seinen Arbeitsplatz verlassen und eine entsprechenden Institutsbibliothek aufsuchen muss. Stellvertretend seien hier nur arxiv.org, sowie das NASA Astrophysics Data System ADS genannt, über welche die meisten Literaturstellen, die in dieses Buch verwendet wurden, recherchiert und eingesehen werden konnten. Darüber hinaus waren bei der Erarbeitung des Manuskripts die Exoplanet Encyclopedia von Jean Schneider (http://exoplanet.eu) sowie der Exoplanet Data Explorer (http://exoplanets.org) von J. Wright und G. Marcy unverzichtbar. Zum Abschluss möchte ich noch kurz meinen Dank an Herrn Martin Franze, Zittau und Günther Rausch, Hainewalde als Hörer meiner Mittwochs-Akademie (wo ich die hier behandelten Themen probeweise vortragen und diskutieren durfte) sowie meinen Kollegen Michael Schäfer, Berlin, für seine wohlwollende Unterstützung während der Zeit des Schreibens an diesem Buch, ausdrücken. Es ist klar, dass das Fachgebiet der Exoplaneten ein höchst dynamisches Forschungsfeld ist, in dem sich nicht nur Zahlen (was z. B. Entdeckungen oder Exoplaneten-Parameter betrifft), sondern sich auch die Interpretationen von Zahlen und Beobachtungen sehr schnell ändern können. So gesehen sind manche Zahlen und Interpretationen in diesem Buch lediglich Momentaufnahmen, was im Einzelnen zu beachten ist. Auf jeden Fall kann man aber gespannt sein, welche exotischen Welten noch der Entdeckung harren und dieses Buch soll mithelfen, sie dann auch zu verstehen Zittau Oktober 2013 Mathias Scholz

Inhalt 1 Eine kurze Geschichte der Exoplanetenforschung.................... 1 2 Was ist ein Planet?............................................. 19 3 Nachweismethoden von Exoplaneten.............................. 21 3.1 Ist es schwierig, Exoplaneten zu entdecken?.................... 23 3.2 Direkte Beobachtung....................................... 26 3.3 Astrometrie............................................... 65 3.4 Radialgeschwindigkeitsmethode.............................. 83 3.5 Transitmethode............................................ 112 3.6 Gravitational Microlensing................................... 173 3.7 Timing-Verfahren.......................................... 201 3.8 Sternbedeckungen durch den Mond........................... 220 4 Statistik, Klassifikation und Diversität von Exoplaneten.............. 223 4.1 Bahnparameter............................................ 224 4.2 Masseverteilung........................................... 250 4.3 Planeten und ihre Muttersterne.............................. 257 4.4 Exoplanetenfamilien........................................ 263 4.5 Häufigkeit von Exoplaneten in der Milchstraße.................. 280 5 Physischer Aufbau extrasolarer Planeten........................... 285 5.1 Braune Zwerge und Gasplaneten............................. 286 5.2 Super-Erden und erdähnliche Planeten....................... 386 6 Planetenkosmogonie........................................... 471 6.1 Eine kurze Geschichte der Planetenkosmogonie.................. 472 6.2 Entstehung massearmer Sterne in Molekülwolken............... 480 6.3 Protoplanetare Scheiben Beobachtungen..................... 491 6.4 Protoplanetare Scheiben Theorie und Modellierung............ 523 6.5 Vom Staub zum Protoplaneten............................... 544 6.6 Die Entstehung des Sonnensystems............................ 589 7 Epilog: SETI die Suche nach außerirdischen Zivilisationen............ 617

XII Planetologie extrasolarer Planeten Literatur.......................................................... 627 Weiterführende Literatur............................................. 655 Empfehlenswerte Webseiten......................................... 657 Index............................................................. 659