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Jupiter / Cassini 7.12.2000
Jupiter gilt heute
als Standard-
Gasplanet mit
„Rocky Core“
Masse: 0,001 MS
Masse: 318 ME
Radius: 0,1 RS
Rotation: ~ 10 h
sehr schnell
Ausgeprägte
Wolkenbänder
„Jetstreams“
Extrem starke
Magnetosphäre
Komet Hartley 2
Hartley 2 Periode:
6,46 Jahre
Perihel: 1,06 AE
Aphel: 5,88 AE
Exc: 0,695
1986 entdeckt
Malcolm Hartley
Motivation Planetensuche
• Eine der ältesten Fragen der Menschheit:
• Sind wir allein im Universum?
• Ist unser Planetensystem einmalig?
– Hat zu tun mit Sternentstehung
– Hat zu tun mit Frage der Planetenbildung
– Und der Entwicklung von Planetensystemen
– Wechselwirkung Stern – Planet - Migration
• Die Suche nach Planeten ist eine
experimentelle Herausforderung.
Zur Geschichte der P-Suche
• Die Vorstellung, dass unser Sonnensystem nicht
einmalig ist, ist schon alt, z.B. Epikur (341-270 v.
Chr.).
• „Es gibt keinen Grund, warum es nicht eine
unendliche Anzahl von anderen Welten geben sollte.“
• Dagegen stand die dogmatische Vorstellung von
Aristoteles (384-322 v.Chr.):
• „Es kann nicht mehr als eine Welt geben.“
• Erst Giordano Bruno hat im 16. Jh. die Vorstellung
wieder aufgegriffen, dass es viele Sonnen mit
Planetensystemen geben könnte Scheiterhaufen.
Zur Historie 2
• Kurz nach der Entwicklung des Teleskops begann die Suche nach extrasolaren Planeten (Christian Huygens 1698).
• Aus über 2000 Photoplatten aus der Zeit 1916-1969 schließt van de Kamp 1969 auf die Existenz von einem bzw. zwei jupiterähnlichen Begleitern um Barnards Stern (AJ 74, 238; AJ 74, 757).
• Die Beobachtungen wurden nicht bestätigt.
• D.W. Latham et al. entdecken 1989 einen massearmen Begleiter von HD114762 (Nature 339, 38), der möglicherweise knapp unter der Grenzmasse für Planeten liegt.
• Das Objekt wurde noch nicht als Planet bezeichnet.
Zur Geschichte der P-Suche 3
• Wolszczan & Frail 1992 entdecken
„Planeten“ um einen Pulsar (Nature 355,
145). eher exotisch!
• Mayor & Queloz (Universität Genf)
entdecken 1995 den ersten Planeten
um den sonnenähnlichen Stern 51 Peg
(Nature 378, 355).
• 2011: über 530 Planeten bekannt +
erste Ergebnisse von Kepler (1235 Pl).
Wonach suchen wir ?
• Sterne: Selbstgravitierende Gaskugeln,
Energiebedarf wird/wurde durch (Wasserstoff-)
Fusion gedeckt (davon 300 Mrd. in der Galaxis).
Grenzmasse von 0,08 M = 80 Jupitermassen
Braune Zwerge: Energiebedarf wird anfänglich
durch Deuteriumfusion gedeckt.
Planeten: Grenzmasse von 0,013 M = 13 MJ
• Planeten: Keine Fusionsprozesse, Umwandlung
nur von potentieller Gravitations-Energie bei
Kontraktion + Einstrahlung vom Mutterstern.
• Braune Zwerge und Planeten sind extrem
lichtschwach:
• Leuchtkraft:
• Brauner Zwerg:
• Planet:
42
eff
eff,
TL R
L R T
2 4 4 50.1 0.3 10 ...10
L
L
2 4 6 90.1 0.1 10 10
L
L
Das Problem: Planeten dunkel
Habitable Zone um einen Stern
Existenz von
Wasser
Abstand vom Zentralstern in AE
Ste
rnm
ass
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Son
nen
mass
en
• Warum Exoplaneten ? – jeder sonnenartige Stern hat mindestens einen Planeten !
• Wie kann man Planeten finden ?
• Radialgeschwindigkeitsmethode
• Transit-Methode erste Ergebnisse
• Wieviele Planeten erwarten wir ?
• Wieviele Planeten in Habitabler Zone?
• Wieviele Planeten mit Zivilisation?
• Wie und warum entstehen Planeten ?
Aktuelle Themen
Methoden Planetensuche
• Direktabbildung
– Interferometrie, Nulling
• Astrometrie
• Dopplerspektroskopie
• Photometrie - Transits
– Sternbedeckungen (Transits)
– Reflexion
– Mikrolensing
• [Timing (nur 2 Entdeckungen)]
– Pulsare, Weiße Zwerge
– Timing residuals
Sonnensystem außerirdisch
mit Dopplermethode beobachtet Doppleramp. Jupiter: 13 m/s; Saturn: 2,7 m/s
Dopplermessungen • Technologische Grenze bei etwa 3 m/s.
• ~0,21 sin i M in 1 AE bei 1 M
-Stern.
• Physikalische Grenze durch Geschwindigkeitsfelder auf
dem Stern.
• Nur Massenuntergrenze bei unbekanntem
Inklinationswinkel.
• Bevorzugt enge Planetensysteme.
• Erste Detektion: 51 Peg, Mayor & Queloz 1995
• (Nature 378, 355)
• Sehr erfolgreiche Methode ~ 500 Planeten gefunden.
• Auf sonnenähnliche Sterne beschränkt (G-K-M).
Gliese 581g Super-Erde Periode: 36,6 Tage; stabiles Klima
Abstand vom Zentralstern in AE
Ste
rnm
ass
e in
So
nn
enm
ass
en
Erde / Super-Erde
0,5 – 2,0 ME 2,0 – 10,0 ME
Kruste Silikat
Mantel
Eisen
Kern
Wasser
Ozean
flüssig
Wasser
Eis
Silikat
Mantel
Eisen
Kern
Dopplermessungen Masse
• 3. Keplersches Gesetz zusammen mit Impulserhaltung
liefert
• Sternmasse MS aus Spektroskopie, Geschwindigkeit
über Dopplereffekt messen, Periode bestimmen
• Jedoch: der Effekt ist sehr klein:
• Jupiter auf Sonne: 15 m/s oder 0,003 nm bei 600 nm
• Saturn auf Sonne: 2,7 m/s oder 0,0006 nm bei 600 nm
32
sin v sinPl ss
sG
M i iP
MM
G-S
tern
e
K-S
tern
e
Histogramm Sternmassen
Typische
Mutterstern ist
sonnenartig
M-Sterne Rote Zwerge
Photometrie von Transits
• Periodische Helligkeitsänderung durch
Sternbedeckung – wie Venus-Transits.
• Helligkeitsänderung ist proportional zum
Radiusverhältnis2 (RPl/R*)2 ~ 0,01 – 0,0001
Anfänge Transit - Photometrie
• Periodische Helligkeitsänderung aus Sternbedeckung.
• Helligkeitsänderung ist proportional zum Radiusverhältnis2
• (Rpl/R*)2 ~ 0,001
• Begrenzt durch intrinsische Sternvariationen und Erdatmosphäre.
• Inklination in engen Grenzen bekannt.
• Bevorzugt enge Systeme, geringe Bahnperioden.
• Kann mit Dopplerspektroskopie kombiniert werden, Dichte bekannt.
• Erster Transit-Planet (Charbonneau & Brown 2000, ApJ Letter 529, 45; Henry et al. 2000, ApJ Letter 529, 41)
• 2 Planeten gefunden (Konacki et al, 2003; Dreizler et al. 2003).
1999 - Der erste Transit-Planet
Charbonneau &
Brown (2000)
STARE: 10 cm Teleskop
HD 209458
V = 7,6 mag
1,6% “Einsenkung”
dauert 3 Stunden
alle 3,5 Tage
CoRoT 2b:
Masse = 3,31 MJ
Radius = 1,43 RJ
Temp = 1537 K
CoRoT 1b:
Masse = 1,03 MJ
Radius = 1,49 RJ
Temp = 1898 K
CoRoT 7b Super-Erde
Masse = 0,015 MJ
Radius = 0,15 RJ
Temp ~ 1500 K
Stern : G9V
Temp = 5270 K
Alter = 1,2–2,3 Gyr
• Kepler ist im wesentlichen ein Schmidt Teleskop mit 0,95-Meter Apertur und 105 deg² Field-of-View (FOV). .. ist ausgerichtet und misst Daten von einer einzigen Gruppe von Sternen während vier Jahren Mission.
• Das Photometer ist ein einziges „Instrument," ein Array von 42 CCDs. Jedes 50 x 25 mm CCD hat 2200 x 1024 Pixel.
• to detect an Earth-size transit around a G2
• Ziel 1: Bestimme die Häufigkeit der terrestrischen und Jupiter Planeten in oder nahe der habitablen Zone für verschiedene spektrale Stern-Typen.
• Ziel 2: Bestimme die Verteilung der Größe und Bahnhalbachsen aller Planeten.
• Ziel 3: Bestimme die Häufigkeit von Planeten und ihrer Bahnelemente in multiplen stellaren Systemen.
• Ziel 4: Bestimme die Verteilung von Halbachsen, Albedo, Größe, Masse und Dichte von kurzperiodischen Riesenplaneten
Transit-Wahrscheinlichkeit Wahrscheinlichkeit W = R*/a ~ 0,5% (a=1AE)
jedes 200. Planetensystem im Transit
Anzahl Erd-ähnlicher Planeten ?
• Monitoring von 100.000 Sternen
• Annahme: Orbit 1 AE um einen G Stern
• Transit-Wahrscheinlichkeit:
W = RSonne/1 AE = 7×105 km/1,5×108 km
= 5×10-3 = 0,5%
• Erwartete Anzahl Erd-ähnlicher Planeten
N = 0,005 x 100.000 X Erde
= 500 Erde ~ einige bis 100
wobei Erde die erwartete Häufigkeit Erd-ähnlicher Planeten ist 4 Jahre messen
Spitzer &
Hubble
De
r O
rio
n-N
eb
el
G
eb
urt
sstä
tte
Ste
rne
MGas > 100´000 MS
Dist ~ 414 pc, D ~ 10 pc
Alter: ~ 2 Mio Jahre
Sterne bilden sich in riesigen
Molekül-Wolken (GMCs)
Messier 33 Galaxie, ein nahes
Mitglied der Lokalen Gruppe
Giant H II Region in Messier 33 (HST)
Fakten der Sternbildung
• Sternbildung setzt sich fort unterhalb der H-Fusionsgrenze ~ 0,075 MS zu Braunen Zwergen
• Die IMF („Massen-Histogramm“) hängt nicht stark von Umgebung ab ~ universelle Form.
• Sternbildung ist ein relativ schneller Prozess ~ einige 100.000 Jahre in Molekülwolken.
• Die stellare IMF ~ prästellares Massenspektrum (sog. Cores) Massenspektrum wird durch die protostellare Core-Verteilung schon bestimmt.
• Diese zeigen supersonische Turbulenz (M~6) Turbulenz-getriebene Fragmentierung (Padoan et al. 2002, 2004, 2009/ENZO-Code).
Art Credit: Luis Belerique
Turbulente Gas und Staub Kepler-Scheibe Planetenbildung ~ 1 – 40 AE
Staub Sublimations-Front ~ 0,1 – 1,0 AE (~ 0,7 – 7 mas VLTI)
nur Gas optisch
dünn
Materie fällt auf Stern (magnetische Akkretion)
Heutige Vorstellungen zu Planetenbildung
Planeten entstehen in Scheiben Staub spielt die entscheidende Rolle
1. Protoplanetare Scheibe
2. Staub Sedimentation
3. Bildung Planetesimalen
4. Feste Planeten
5. Gasförmige Planeten
6. Dissipation der Gas-Scheibe
Prozess nach 10 Mio.
Jahren abgeschlossen !
Planetesimale bilden sich über Gravitationsinstabilität der Staubschicht
Typische Größe der Planetesimale
~ km Objekte
Alt
ern
ati
ve
s M
od
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Sc
he
ibe
is
t G
rav
ita
tio
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-
ins
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il (
Bo
ss
20
02
)
Akkretionsscheibe Gravitativ instabil
Spiralarme Verdichtungen Planeten
Pla
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un
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Gra
vita
tio
nsi
nst
abili
täte
n
Dichte Planeten bilden sich in Verdichtungen
Immanuel Kant “Allgemeine Naturgeschichte und Theorie des Himmels” (1755)
Sonnensystem entwickelt sich mit der Zeit
Planeten bilden sich in rotierenden Gasscheiben
Ist unser Planetensystem einzigartig?
Irdische Planeten – Nadel im Heuhaufen
• Alle isoliert lebenden Sterne zwischen 0,3 und 2 Sonnenmassen (3500 – 8000 K) dürften Planetensysteme entwickelt haben 100 Mrd.
• Massereiche Sterne leben zu kurz und sind zu heiß, um Planetensysteme auszubilden.
• Es könnte in der Milchstraße damit etwa einige Millionen terrestrische Planeten in der habitablen Zone geben.
• Wieviele von diesen Planeten tatsächlich höheres Leben entwickelt haben, ist noch schwer abzuschätzen < 0,01% > 100.000 Sterne beobachten, um Planeten mit Leben zu finden.
• Mit Transitmethode > 1 Mio. Sterne beob.
Entwicklung zu intelligentem Leben ?
• Voraussetzung: Erdähnlicher Planet in der Habitablen Zone W‘keit folgt aus Kepler!
• Andrew Watson (2008): 4 Phasen zur Entwicklung von intelligentem Leben:
• Auftreten einzelner Zellen dauert ~ 1 Mrd. Jahre;
• Mehrzelliges Leben etwa 1,5 Mrd. Jahre später;
• Komplexere Lebensformen 1 Mrd. Jahre später;
• Entstehung von intelligentem Leben mit Sprache nochmals 1 Mrd. Jahre später.
• 4,5 Mrd. Jahre zur Ausbildung einer Zivilisation. Jede Phase 10% W‘keit!
• Nur jede 10.000te Erde bildet höheres Leben.
• R*: mittlere Sternentstehungsrate pro Jahr ~ 8/Jahr.
• fp: Anteil an Sternen mit Planetensystem ~ 0,5.
• ne: Anzahl der Planeten in der Habitablen Zone < 1.
• fl: Anteil an Planeten mit Leben (?)
• fi: Anteil an Planeten mit intelligentem Leben (?)
• fC: Anteil an Planeten mit Interesse an interstellarer
Kommunikation ~ 0,5 – 1,0.
• L: Lebensdauer einer technischen Zivilisation in
Jahren ~ 20.000 Jahre.
Drake-Formel der Milchstraße
Können wir mit andern Zivilisationen kommunizieren?
Nein ! Die Lichtgeschwindigkeit ist endlich !
Lebensdauer einer Zivilisation nur ~ 20.000 Jahre !
Kommunikation nur bis zu 10.000 LJ möglich !
10.000 LJ
Exosphäre: 1 „intelligenter“ Erd-ähnlicher Planet
Galaktisches Internet möglich ?
100.000 LJ
• Planeten entstehen bei fast allen sonnen-artigen Sternen mit Massen < 2 Sonnenmassen.
• Doppler-Methode findet vor allem masse-reichere Planeten bisher keine systema-tischen Untersuchungen, Gliese 581 interessant.
• Transit-Methode beste Methode erste Ergebnisse von Kepler für P < 100 Tage ergaben 2326 Kandidaten aus 150.000 Sternen.
• Ergebnisse für P ~ 1 Jahr erst am Ende Mission
• Wir warten noch auf ersten Erd-ähnlichen Planeten in der Habitablen Zone sehr selten!
Zusammenfassung