ESO 3.6 & HARPS. Auf der Suche nach Exoplaneten. Von Benjamin Veit im Rahmen der Vorlesung:

Ähnliche Dokumente
Exoplaneten. Teil 1. Seminarvortrag Thomas Kohlmann

Exoplaneten. Henrik Eckseler. 6. Juli 2017

Entdeckung von Exoplaneten - Radialgeschwindigkeitsmethode

Einführung in die Astronomie & Astrophysik 5.5 Extrasolare Planeten

Radialgeschwindigkeitsvariation bei Exoplaneten - dargestellt mit Geogebra 1

Gymnasium Buckhorn. Planeten um andere Sterne

Die Suche nach neuen Erden

Die Jagd nach Exo-Planeten. Pierre Kelsen AAL 16 Dezember 2000

Die Suche nach der zweiten Erde

Exoplanetensuche mit dem CoRoT-Satellit Die Entdeckung von CoRoT-1b

Auf der Suche nach Planeten um andere Sonnen

Entdeckungsmethoden für Exoplaneten

ExoPlaneten Die Suche nach der 2. Heimat. Max Camenzind Senioren Würzburg November 2014

Versuchsanleitung zum Astrophysikalischen Praktikum Standardkerzen: Entfernungsbestimmung von M100

Earth- like habitable planets

Licht aus dem Universum

Extrasolare Planeten.

Das Sonnensystem. Teil 2. Peter Hauschildt 6. Dezember Hamburger Sternwarte Gojenbergsweg Hamburg

25 Jahre Hubble Weltraumteleskop

Beobachtung von Exoplaneten durch Amateure von Dr. Otmar Nickel (AAG Mainz)

Entdeckungsmethoden für Exoplaneten Sternbedeckungen und Gravitational Microlensing

Exoplaneten Zwillinge der Erde?

Exoplaneten. Vortrag von Dr. Michael Theusner. Volkssternwarte Hannover,

Einfuehrung in die Astron. & Astrophysik I

Spektren von Himmelskörpern

Gliese 581. The Lick-Carnegie Exoplanet Survey: A 3.1 M Planet in the Habitable Zone of the Nearby M3V Star Gliese 581

Rote Sterne mit blauen Planeten. Andreas Quirrenbach (LSW Heidelberg)

Super-Erden und erdartige Exoplaneten

Das Röntgenteleskop Chandra. Im Rahmen der Vorlesung Ausgewählte Kapitel der Astroteilchen und Astrophysik von Steffen Heidrich

VLT, VLTI (AMBER), ELT

Das Galaktische Zentrum

Der Tanz der Jupiter-Monde

T.Hebbeker T.H. V1.0. Der Tanz der Jupiter-Monde. oder. Auf den Spuren Ole Rømers

Extrasolare Planeten

Entdeckung von Exoplaneten - Transitmethode

Algol. Spektrale Beobachtungen des Bedeckungsveränderlichen b Per. Bernd Bitnar, Ulrich Waldschläger. BAV Beobachtertreffen 20.

Doppler-Spektroskopie (Radialgeschwindigkeit) Photometrie (Transit) Astrometrie Pulsar Timing Microlensing

10. Planeten-Entstehung

Abb. 1 Position des Sternsystems LHS 1140 im Sternbild Cetus. Das Sternsystem LHS 1140 (roter Kreis) befindet sich im Sternbild Walfisch (Cet).

1 Astronomie heute: Grundbegriffe

8. Die Milchstrasse Milchstrasse, H.M. Schmid 1

Seminararbeit. Oskar-Maria-Graf-Gymnasium, Neufahrn. über das Thema. Bestimmung der Bahnparameter spektroskopischer Doppelsterne

I.10.6 Drehbewegung mit senkrecht zu, Kreiseltheorie

Allgemeine Regeln. Nützliche Konstanten. Frage 1: Sonnensystem. Einführung in die Astronomie i. Sommersemester 2011 Beispielklausur Musterlösung

50 Höhepunkte aus 50 Jahren

Exotisch - Exoplaneten

Gliederung. Geschichtliches IR-Strahlungsquellen Das Infrarot-Spektrum und dessen Unterteilung IR-Beobachtung

Astronomie. Kursjahr 2016/17 Leibniz Kolleg Tübingen PD Dr. Thorsten Nagel

Astronomische Einheit. σ SB = W m 2 K 4 G= m 3 kg 1 s 2 M = kg M = kg c= km s 1. a=d/(1 e)=3.

Das Rätsel der Dunklen Materie Erhellendes aus Universum und Labor

Was ist das? Exo-Planeten und Exo-Erden

Einführung in die Astronomie und Astrophysik I

Entdeckungen und Entdeckungswahrscheinlichkeiten von Exoplaneten

Sonne. Sonne. Δ t A 1. Δ t. Heliozentrisches Weltbild. Die Keplerschen Gesetze

Entdeckungsmethoden für Exoplaneten - Interferometrie

Didaktik der Astronomie. Exoplaneten. Stellen Sie sich vor es wird Nacht zum ersten Mal.

Neues aus Kosmologie und Astrophysik 1.0

Zusammenfassung. Björn Malte Schäfer & Markus Pössel. Methoden der Astronomie für Nicht-Physiker

Astronomische Einheit

Teleskope erweitern den Horizont

Urknall und. Entwicklung des Universums. Grundlegende Beobachtungen Das Big-Bang Modell Die Entwicklung des Universums 1.1

1. Was ist ein Brauner Zwerg? Definition, Physik, Entwicklung, Aufbau, Spektralklassen

Einführung in die Astronomie II. November 2005.

gute Gründe, das Ereignis nicht zu verpassen

deutschsprachige Planetarien gute Gründe, das Ereignis nicht zu verpassen

gute Gründe, das Ereignis nicht zu verpassen

Urknall und Entwicklung des Universums

9.10 Beugung Beugung

Quasare Hendrik Gross

Doppler-Effekt und Bahngeschwindigkeit der Erde

Ralf-Dieter Scholz Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam Milchstraße und die lokale Umgebung. Babelsberger Sternennacht, AIP 19.

Bei den Planetenwegen, die man durchwandern kann, sind die Dinge des Sonnensystems 1 Milliarde mal verkleinert dargestellt.

Die Entwicklung des Universums

1 Beugungsmuster am Gitter. 2 Lautsprecher. 3 Der Rote Punkt am Mond. 4 Phasengitter

Sind wir allein im Universum? Die Suche nach Wasser und nach einer zweiten Erde

Einführung in die Astronomie und Astrophysik (I) Jürgen Schmitt Hamburger Sternwarte

Inhaltsverzeichnis VII

Habitable planets around the star Gliese 581? F. Selsis, J. F.Kasting, B. Levrard, J. Paillet, I. Ribas and X. Delfosse

Protoplanetare Scheiben Beobachtete Strukturen

Kepler sche Gesetze. = GMm ; mit v = 2rπ. folgt 3. Keplersches Gesetz

5. Die gelbe Doppellinie der Na-Spektrallampe ist mit dem Gitter (1. und 2. Ordnung) zu messen und mit dem Prisma zu beobachten.

Computational Astrophysics 1. Kapitel: Sonnensystem

Der Mond des Zwergplaneten Makemake

Seminar Astrobiologie WS 13/14 Verena Mündler

Nachweis von Atmosphärengasen und Einstrahlungseffekte bei hot jupiters

Astronomie. Vorlesung HS 2015 (16. Sept. 16. Dez. 2015) ETH Zürich, Mi 10-12, ETH HG E5,

Entstehung des Sonnensystems (Kosmogonie)

Spektroskopie. im IR- und UV/VIS-Bereich. Spektrometer.

Exoplaneten-Detektion 1

Physik 3 exp. Teil. 30. Optische Reflexion, Brechung und Polarisation

Schwarze Löcher in Zentren von Galaxien

Eigenbewegung und Parallaxe von Barnards Pfeilstern

Lichtbrechung / Lichtbeugung

Astro-Semester-Abschlussveranstaltung

Praktikum Physik. Protokoll zum Versuch: Beugung. Durchgeführt am Gruppe X. Name 1 und Name 2

Das Universum rennt... [18. Jun.] Und das Universum dehnt sich noch schneller aus... Hubble und das Universum

Exoplaneten und Welten in der Science Fiction. Ulf Fildebrandt

Faszination Astronomie

Transkript:

ESO 3.6 & HARPS Auf der Suche nach Exoplaneten Von Benjamin Veit im Rahmen der Vorlesung: Vertiefende Kapitel der Astrophysik WS 2012/2013

Was ist ein Exoplanet Planet außerhalb des gravitativen Einflusses der Sonne planetenähnliche Objekte, die keinen Stern umkreisen Planemos (Planetary Mass Object) Exoplanet OGLE-2005-BLG-390Lb (künstlerische Darstellung des 2005 entdeckten Objekts, NASA)

Zahl der Bekannten Exoplaneten Seit 1989 14. Dezember 2012 854 Planeten in 673 Systemen Anzahl der Planeten im System Anzahl der Systeme Anzahl der Planeten 1 549 549 2 90 180 3 21 63 4 7 28 5 3 15 6 2 12 7 1 7 Summen 673 854

Nachweismethoden Die meisten Exoplaneten konnten bis jetzt nur indirekt nachgewiesen werden. Direkte Beobachtungen gelangen 2004 der ESO mit dem Planeten 2M1207b, welche vom Hubble 2006 bestätigt wurde. Indirekte Methoden: Transit Gravitationslinse Astrometrisch Radialgeschwindigkeit Störung bekannter Planetenbahnen

Direkte Beobachtung 2M1207 und der Exoplanet 2M1207b (ESO/VLT) Hubble Aufnahme von Staubscheibe und Exoplanet (s. Einblendung rechts unten) um den Stern Fomalhaut

Transit Methode Voraussetzung: Planetenbahn verläuft aus Beobachterrichtung vor dem Zentralgestirn Erzeugt bei photometrischen Langzeitmessungen von Sternen periodische Absenkungen der Helligkeit Terrestrisch: SuperWASP Orbit: Corot, Kepler, Spitzer

Gravitationslinsen Methode Verstärkung der Helligkeit des Hintergrundobjekts durch Vordergrundobjekt

Astrometrische Methode Beobachtung der Bewegung senkrecht zur Beobachtungsrichtung, relativ zu fernen Sternen Bei bekannter Sternmasse und -entfernung auch Angabe der Planetenmasse möglich Bis jetzt jedoch keine hinreichend genauen Instrumente verfügbar Zukunft: VLT (terrestrisch), Gaia, Space

Radialgeschwindigkeitsmethode Planet + Stern bewegen sich um gemeinsamen Schwerpunkt Periodische Bewegung des Sterns hat Radialgeschwindikeitsanteil in Beobachtungsrichtung Messbare Dopplerverschiebung

Dopplerverschiebung Diese Radialgeschwindigkeit führt zu einer Dopplerverschiebung des emittierten Lichtes. d =v r c Δλ λ (Nicht Relativistischer Dopplereffekt)

Radialgeschwindigkeit Herleitung Annahmen: a sun a planet a sun +a planet a planet m sun m planet m sun +m planet m sun 1. Schwerpunktsatz : m sun a sun=m planet a planet 2. Kepler 3 : (a sun +a planet )3 = 4 π2 2 π a sun 3. Bahngeschwindigkeit : v sun= P P 2 G (m sun +m planet ) Nach Umstellen und Einsetzen ergibt sich für die Raumgeschwindigkeit des Sterns folgende Gleichung: 2 π G 13 v sun=m planet ( ) 2 P msun Für die Radialgeschwindigkeit ergibt sich nach v r =v sun sin (i ): 2 π G 13 v r =m planet sin(i)( ) 2 P m sun

Radialgeschwindigkeit: Beispiele Am Beispiel unseres Sonnensystems können wir das benötigte Auflösungsvermögen ermitteln. z.b. Jupiter: Masse: 318 Erdenmassen Periode 11.9 Jahre Radialgeschwindigkeit: ± 12,4 m/s z.b. Erde: Masse: 1 Erdenmassen (5,974 10^24 kg) Periode 1 Jahre Radialgeschwindigkeit: ± 8,8 cm/s

Probleme mit Spektrallinien Linienverbreiterung diffuse Atombewegung aufgrund der Temperatur des Sterns Radialgeschwindigkeit sehr gering 1/1000 Linienbreite Planeten mit langen Perioden langzeitstabile Messung Exakte Messung der Verschiebung schwierig feste Referenz

Problem bei Planetenmasse Es lässt sich nur ein unteres Limit der Planetenmasse bestimmen, wenn die Masse des Zentralgestirns bekannt ist, da der Beobachtungswinkel I unbekannt ist. 3 2 [ ] P 2 m p sin i K 1 ϵ m 2πG 1/3 Obs. i m p sin(i)=m min Jedoch ist es mmin auch die wahrscheinlichste Masse, die sich zur Zeit beobachten lässt, da hier bei i=90 die größte Radialgeschwindigkeit auftritt.

ESO 3.6 Übersicht Optisches und nahinfrarotes Spiegelteleskop mit 3,57m Spiegel Bestandteil der Europäische Südsternwarte des La-SillaObservatorium in Chile, auf 2400m Höhe Betrieben von: Geneva Observatory First Light: 07.11.1977

ESO 3.6 Übersicht

Parameter ESO 3.6 Cassegrain Optik Äquatoriale Gabelmontierung Primärer Spiegel: 3.57m Sekundärer Spiegel: 1.20m bewegbar in x-y/z Richtung (vertikaler Fokus) Tertiärer Spiegel:1.33m Brennweite f/8.09 Point Spread Function PSF = 0.5 Bogensekunden Gewöhnlicher PSF bei gutem Seeing 0.70.8 Bogensekunden

Seeing Daten des ESO 3.6

Sichtbereich des ESO 3.6 Limit im Stundenwinkel HA: -5 h 30 m < HA < 5 h 30 m Limit in der Zenith Distanz ZD: ZD < 70 Limit in der Declination DEC: -120 < DEC < +29.5

Instrumente: Ehemalig: CES: Spektrograph mit einer Bandbreite von 346-1028 nm bei einer Auflösung von 235000 EFOSC2: Faint Object Spectrograph and Camera (v.2) TIMMI-2: Thermal Infrared MultiMode Instrument im Bereich von 3micron 25micron ADONIS: Ein Akronym für ADaptive Optics Near Infrared System Aktuell: HARPS: High Accuracy Radial velocity Planet Searcher Hochauflösender Echelle Spektrograph zur Suche nach Exoplaneten

HARPS Verfügbar für Messungen seit: 01.10.2003 Gebaut von: Observatoire de Genève Observatoire de Haute Provence Universität Bern

HARPS Details Betrieb in temperaturgeregelter Vakuumkammer zur Vermeidung von Thermalen Drift (0,01K und 0.01mbar) Echelle-Spektrometer Spektralbereich 378nm 691nm (Echelle Ordnungen 89-161) Gespeist durch 2 Glasfasern aus dem ESO 3.6 Teleskop 1x Sternenlicht 1x Hintergrund / Th-Ar Spektrum Apparatur 1 Auflösung: 115000 Linien Zur Kalibrierung: Iod-Zelle Th-Ar Lampe

HARPS Spektrometeraufbau Kombination von Echelle-Gitter (hohe Effizienz in hohen Beugungsordnungen) mit nachgeschaltetem Gitterprisma zur Querdispersion Querdispersion führt zur Verschiebung des Spektrums in parallele Ordnungen optimale Ausnutzung eines 2D Detektors

Kalibrierung: Iod-Zelle Licht wird durch eine durchsichtige geheizte Zelle geleitet, in der Iod verdampft wird Das I2-Absorptionsspektrum ist langzeitstabil, da die Zelle versiegelt ist und besteht aus vielen schmalen Linien.

Kalibrierung Thorium-Argon Lampe Wird per Glasfaser in das Teleskop eingespeist Gleicher Strahlengang Emissionsspektrum Sehr detaillierte Vermessung des Spektrums als Referenzspektrum vorhanden Gleichzeitige Darstellung auf dem CCD zusammen mit dem Sternspektrum Problem: Th-Ar Lampe altert keine Langzeitstabilität

Langzeitstabilität http://www.eso.org/public/images/eso0308e/ Radialgeschwindigkeitsmessung über 9 zusammenhängende Stunden Drift ist über das bekannte Thorium Referenz Spektrum ermittelt Drift ist in der Größenordnung von 1m/s bei einer Genauigkeit von 20cm/s

Harps CCD Detektor 2 EV 44-82 CCDs je 2k x 4k Pixel Gesamtauflösung: 4k x 4k Pixelgröße 15µm^2 Spalt zwischen Chips führt zum Verlust der 115 Ordnung des Echelle-Gitters (530nm - 533nm) SNR 110 pro Pixel für einen G2V Stern mit einer Magnitude Mv=6,0 (Sonne)

Echelle Format

Datenreduktions Pipline Tausende Spektrallinien werden mit einem Template Spektrum des beobachteten Spektraltyps korreliert Korrektion von: Erdrotation Mondbewegung Planetenbewegungen Liefert Radialgeschwindigkeiten mit einer Genauigkeit von < 1 m/s innerhalb von Minuten

Beispieldaten System: G0V Stern: Hor (Kürster et al. (2000), A&A 353, L33) RV semi-amplitude orbital period orbital eccentricity semi-major axis of planet orbit minimum planet mass K P e a m sini = 67 m/s = 320 d = 0.16 = 0.92 AU = 2.28 Mjupiter

Daten Analyse Viele Analysemöglichkeiten über Periodensuche / Periodogram-Analyse: Erfolgreiche Methode ist das χ2 Fitten von Sinus Wellen mit Frequenz bzw. Periode als Parameter: N [vr i ao a1 cos(2π ti / P) a2 sin( 2π ti / P )]2 i =1 ( vr ) 2 χ2 = min. χ 2 χ 2 χ 2 = 0, = 0, =0 ao a1 a2 system of linear equations for ao, a1, a2 f = 1 / P must be " stepped through" Auch möglich: Anfitten von Keplerschen Ellipsen, aber oftmals nicht robust genug bei Daten die ungleichmäßig gesampelt wurden zu viele freie Parameter

Planetenbahn - Exzentrizität HD149382 Kreisbahn ɛ 0 HD 37605 b ɛ>>0 Minimale Masse 2.3 M[Jup] Große Halbachse: 0.25 AU

Probleme durch Sonnenaktivität Oberfläche von Sternen ist granuliert. Zellengröße ~ 1000-2000km Führen zu Zitterbewegungen der Spektrallinien; bei Auflösungen von 1 m/s sehr messwertrelevant Aber auch nur partielle Verschiebung über Zeeman-Effekt möglich

Planeteneigenschaften Mit der Radialgeschwindigkeitsmethode lassen sich nur bestimmte Planeten nachweisen, die folgende Kriterien erfüllen: möglichst große Masse ( Jupiters ) nahe Bahnen um ihren Mutterstern Bahnneigung zur Sichtlinie möglichst groß ( Kantenstellung ) Erdähnliche Planeten liegen außerhalb der Möglichkeiten. Aber auch große Planeten mit großem Abstand zum Stern sind schwierig nachzuweisen.

Zukunft: ESPRESSO Echelle Spectrograph for Rocky Exoplanet and Stable Spectroscopic Observation Temperaturgeregelte Vakuumkammer mit 0.001m bar und T< 0.001K Ermöglicht Auflösungen der Radialgeschwindigkeit von < 0.1m/s Beobachtung erdähnlicher Planeten Betrieb am VLT Pipeline-Geschwindigkeiten von < 1min Überprüfung von kosmischen Konstanten Ermittlung der Chemischen Zusammensetzung von Sternen und Galaxien

Danke für die Aufmerksamkeit. Fragen?

Habitable Zone

Massen in der Habitablen Zone

System Übersicht