Entdeckungsmethoden für Exoplaneten
Wiederholung: Warum ist die Entdeckung extrasolarer Planeten so schwierig? Sterne sind sehr weit entfernt (nächster Stern Proxima Centauri, 4.3 * 9.5 *10^12 km) Der Helligkeitsunterschied zwischen selbstleuchtenden Stern und einem Planet, der Licht reflektiert, ist riesig (Sonne Jupiter ~ 21 Größenklassen) Der Winkelabstand zwischen Planeten und Stern ist extrem gering (Jupiter-Sonne aus 4.3 Lj Entfernung ~4 ) Trotzdem wurden bis heute (12. 10. 2011) 567 Planetensysteme mit insgesamt 692 Planeten entdeckt... Wie entdeckt man extrasolare Planeten?
1. Methode Direkte Beobachtung von Exoplaneten Eine direkte Beobachtung von Exoplaneten ist extrem schwierig und damit nur Riesenteleskopen sowie Weltraumteleskopen (Hubble) mit entsprechendem Equipment (adaptive Optiken, Sternkoronographen) möglich. Extrem großer Helligkeitsunterschied Exoplanet Mutterstern Äußerst geringer Winkelabstand Exoplanet - Mutterstern Beispiel: Wie hell wäre und in welchem maximalen Winkelabstand würde Jupiter von der Sonne entfernt erscheinen, wenn man das Sonnensystem aus einer Entfernung von 10 pc (32.6 Lj) beobachten würde? 1. Winkelabstand ~ 0.5 Bogensekunden 2. Helligkeit ~ 26 m (= 4 x 10^-9 der Sonnenhelligkeit, Sonnenhelligkeit +4.8 m) Die Helligkeit hängt u.a. vom Phasenwinkel und dem Albedo ab (Albedo im Bsp. 50%)
Verbesserung der Winkelauflösung durch adaptive Optiken Problem: Das theoretische Auflösungsvermögen eines Riesenteleskops kann aufgrund der Erdatmosphäre (welche die Planwellen, die von einem Stern kommen, auf zufällige Weise deformiert) nicht ausgenutzt werden. Selbst ein 8 m Spiegel löst deshalb nie besser auf als ein 20 30 cm Amateurteleskop. Lösung des Problems: Adaptive Optiken Deformation der einfallenden Lichtwelle hängt ab - Anzahl und Größe der Turbulenzzellen in der Luftsäule über dem Teleskopquerschnitt - von der Driftgeschwindigkeit dieser Turbulenzzellen (bestimmt die Korrelationszeit)
Uranus
Prinzip der Rekonstruktion der ungestörten Lichtwelle Shack-Hartmann-Sensor speckles Mit Hilfe des Wellenfrontsensors wird die Deformation der einfallenden Lichtwelle bestimmt Diese Information wird genutzt, um über einen Regelkreis die Form eines Planspiegels so zu verändern, daß die Deformation aufgehoben wird Am Science-Detektor (z.b. CCD, Spektrograph) kommt dann wieder die ursprüngliche Planwelle an, die das Rayleigh-Kriterium für Beugungsbegrenzung erfüllen
Deformierbarer Spiegel Da ein Echtzeit-Computer die gestörte Wellenfront viel schneller rekonstruieren kann als sich deren Form innerhalb der Korrelationszeit ändert, läßt sich ein sich selbst stabilisierender Regelkreis aufbauen
Ergebnisse: GQ Lupi b Masse 1... 42 Mjupiter (kann also auch ein Brauner Zwerg sein)
Lösung des Problems des riesigen Intensitätsunterschiedes SOHO Koronograph Hubble Telescope Koronograph Problem: Intensitätsverringerung einer zentrale Erhellung über mehrere Größenordnungen ohne die unmittelbare Umgebung mit auszublenden Moderne Sternkoronographen beruhen auf dem physikalischen Prinzip der destruktiven Interferenz Phase Mask Coronograph / Optical Vortex Coronograph
Ergebnisse: HR 8799 b) a ~ 68 AU, T ~ 460 Jahre c) a ~ 38 AU, T ~ 190 Jahre d) a ~ 24 AU, T ~ 100 Jajre b) 7 +/- 2 MJ c) 10 +/- 3 MJ d) 10 +/- 3 MJ
Spektrum von HR 8799 b VLT NAOS / CONICA IR L-Band Der Vergleich des Spektrums mit synthetischen Spektren, die aus planetaren Atmosphärenmodellen abgeleitet werden, erlauben Rückschlüsse auf die Natur des Exoplaneten.
Weiteres Beispiel:
Neue Erkenntnisse zu Fomalhaut b... Beobachtungen des Jahres 2010 ergaben eine Position von Fomalhaut b, die außerhalb der berechneten Bahn liegt. Seitdem wird über die wahre Natur dieses Objektes gestritten. Paul Kalas et.al. 2011 Für eine endgültige Aussage muß das Jahr 2012 abgewartet werden, wo Fomalhaut wieder auf dem Beobachtungsprogramm vom Hubble-Teleskop steht.
Welche technischen Voraussetzungen sind notwendig, um ein Erd-Analogon in 10 pc Entfernung direkt abzubilden? Trennung des Planeten in der Elongationsstellung von der Sonne Sonne: riesige Zahl von Photonen (muß irgendwie ausgeblendet werden) Erde : nur wenige Photonen Berechnungen haben ergeben (Chelli, 2005), daß die Grenzen für die Detektierbarkeit eines Erd-Analogons in 10 pc Entfernung durch die Anzahl detektierbarer und dem Planeten eindeutig zuordnungsbarer Photonen und durch das Speckle -Rauschen (Verbreiterung der point spread function) gegeben ist. Teleskopöffnung ~ 100 m, adaptive Optik, Sternkoronograph Expositionszeit ~ 12 Stunden Es ist noch nicht klar, ob sich ein derartiges Teleskop überhaupt so designen läßt, um die Anforderungen, die an eine solche Detektierung notwendig sind, zu erfüllen (hier liegen sehr viele devils im Detail) Quirrenbach, 2006 (Direct detection of exoplanets science and techniques)
Alle bis heute (Oktober 2011) direkt abgebildeten Exoplaneten
Abstände der 11 aufgelösten Exoplaneten GQ Lupi b, GJ 758 b, HL Tauri b sind immer noch sehr unsichere Exoplanetenkandidaten
Liste der 11 direkt aufgelösten Exoplaneten