Entdeckungsmethoden für Exoplaneten Sternbedeckungen und Gravitational Microlensing

Wiederholung:

Bis heute (25.10.2011) wurden offiziell 570 Planetensysteme mit insgesamt 694 Planeten entdeckt. Davon optisch 8 sicher aufgelöst und 3 fragliche Kandidaten ...

Eine in der Zukunft erfolgversprechende Methode zur Beobachtung von Exoplaneten stellt die optische Interferometrie dar. Nur ist dieses Verfahren technisch extrem aufwendig (kohärente Vereinigung der Lichtwege einer Vielzahl von Einzelteleskopen) und kompliziert. Bis heute konnten interferometrisch noch keine Exoplaneten direkt beobachtet werden. Das Verfahren läßt sich aber zum indirekten Nachweis mittels Präzesionsastrometrie einsetzen.

Exoplanetenentdeckungen bei Sternbedeckungen durch den Mond?

Der Mond bedeckt regelmäßig bei seinem Weg über den Himmel Sterne:

Für einen Beobachter am Fernrohr verschwindet der Stern plötzlich am Mondrand. Der Grund dafür liegt darin, daß der Stern quasi punktförmig ist. Beobachtet man das Verschwinden des Sterns mit sehr hoher zeitlicher Auflösung photometrisch, dann erfolgt das „Verschwinden“ nicht mehr plötzlich, sondern man erkennt ein Beugungsmuster, in dem Informationen über den scheinbaren Winkeldurchmesser des Sterns stecken.

Ein Exoplanet nahe dem Stern führt zu einer geringfügigen Modifikation des Beugungsmusters.

Punktquelle bei 2.2 µm (IR K-Band, monochromatisch)

Punktquelle bei 2.2 µm (Breitbandfilter)

Punktquelle bei 3.4 µm (Breitbandfilter)

Punktquelle bei 3.4 µm (Breitbandfilter) + 2 Komponenten mit einem Abstand von -0.05“ und +0.005“ Abstand und einer Helligkeit 1/10 und 1/50 des Hauptsterns

e) Differenzbild c – d mit Position der Komponenten

Hochaufgelöste IR- Beugungslichtkurven einer typischen Sternbedeckung

Bedeckungsgeschwindigkeit: 0.43“ /s

Technische Voraussetzungen und Realisierung

1. Helligkeitsunterschied zwischen Begleiter und Mutterstern sollte möglichst gering sein (~5 ... 10 m) -> IR-Beobachtungen 2. Die notwendige hohe zeitliche Auflösung (ms-Bereich) erfordert große Fernrohr- Öffnungen (6 bis 10 m –Klasse) 3. Die Komponenten müssen einen Mindestabstand vom Mutterstern von ~0.01“ besitzen (die Grenze ergibt sich aus der Beherrschung der Szintillation)

Die Detektierung von Exoplaneten bei nahen Sternen bei lunaren Okkultationen erscheint möglich, ist aber technisch sehr anspruchsvoll. Besser: Weltraumteleskope: „Mond-Sternkoronograph“ - keine atmosphärischen Störungen des Beugungsmusters - durch günstige Relativgeschwindigkeit kann die Bedeckung zeitlich „gedehnt“ werden

Bis heute (2011) ist noch kein Nachweis eines Exoplaneten bekannt geworden

Gravitational Microlensing

Albert Einstein: Die Allgemeine Relativitätstheorie impliziert, daß eine Masse einen Lichtstrahl ablenkt ... (1916)

1919: A.S.Eddington: ja, das ist so! Einstein wird schlagartig weltberühmt ...

Am Sonnenrand beträgt die Abweichung zur „wahren“ Position 1.745“ (~1/2000°) 1 Cent-Münze aus 1 km Entfernung betrachtet

Nachweis eines Schwarzen Lochs durch Microlensing

Starke Verstärkung der Helligkeit eines Hinter- grundsterns beim Vorübergang eines (unsichtbaren) Black holes

Das Verfahren wurde zur Suche nach MACHO‘s entwickelt

Mikrogravitationslinse OGLE 2003-BLG-235/MOA 2003-BLG-53Lb an der Position RA = 18:05:16.35 DEC = -28:53:42.0 (J2000.0)

Beispiel für ein Mikrogravitationslinsenereignisses

Typische Lichtkurve eines Mikrogravitationslinsenereignisses

Asymmetrie entsteht durch den Parallaxeneffekt (Bewegung Erde um die Sonne)

Ungestörte Gravitationslinsen-Lichtkurve

Ein Gravitationslinsenereignis zieht sich i.d.R. über mehrere Monate hin Es handelt sich um ein einmaliges Ereignis (keine Verifikation möglich)

Man muß extrem viele Sterne beobachten, um ein solches Ereignis überhaupt entdecken zu können

Solange Sterne auflösbar sind (z.B. benachbarte Galaxien), kann man auch Mikro- Gravitationslinsenereignisse beobachten

Wirkungen eines Begleiters auf die Lichtkurve...

Exoplanet: OGLE-2005 BLG-390

Was kann man alles aus einer Mikrogravitationslinsen-Lichtkurve herauslesen?

• Betrag der Eigenbewegung der Gravitationslinse - bestimmt Zeitskala des Ereignisses

• Masseverhältnis Hauptstern / Begleiter über die Zeitskala des „Peaks“

• Projizierter Abstand Hauptstern / Begleiter

OGLE-2005 BLG-390 b

Masse ~ 5 Erdmassen Umlaufszeit ~ 1ß0Jahre Entfernung ~ 2.6 AU Temperatur ~ -220° C Gesteinsplanet

Mutterstern „Roter Zwerg“ Masse ~ 1/5 Sonnenmassen Helligkeit 15.7 m Entfernung ~21000 Lj

Microlensing Surveys

1. Die Wahrscheinlichkeit, daß zwei Sterne zu einem gegebenen Zeitpunkt genau in Sichtlinie stehen, ist extrem gering (1:Million in Richtung galakt. Zentrum) 2. d.h. man muß dichte Sternfelder mit vielen Millionen Sternen über lange Zeiträume photometrisch überwachen - Automatisierte Suchprogramme

Es gibt z.Z. mehrere große Beobachtungskampagnen, die nach Mikrolinsenereignisse sichen, z.B.

OGLE (Optical Gravitational Lensing Experiment)

Las Campanas Obser. (Uni Warschau) 1.3 m Spiegel 1.5° Sternfeld CCD Mosaik Camera

OGLE - Ergebnisse

7 Kuiper Belt Objects 6 extrasolare Planeten durch Mikrolinsenereignisse (darunter wahrscheinlich ein free floater) 8 extrasolare Planeten durch Transits ...

Felder: Galaktisches Zentrum, Magellansche Wolken

Von Amateuren entdeckte Exoplaneten 15 000 Lj entfernt / ~ 3 Jupitermassen

Nächstes Mal: Radialgeschwindigkeitsmethode