Einfuhrung¨ in die Astronomie & Astrophysik 5.5 ...kley/lehre/astronomie/script1/kap5e.pdf ·...

Einfuhrung in die Astronomie &Astrophysik

5.5 Extrasolare Planeten

Wilhelm Kley & Klaus WernerInstitut fur Astronomie & Astrophysik

Kepler Center for Astro and Particle Physics

Sommersemester 2011

Astronomie & Astrophysik (SS 2011)

5.5 Exoplaneten Ubersicht

5.5.1 Entdeckungsmethoden

5.5.2 Einzelne Objekte

5.5.3 Statistische Eigenschaften

5.5.4 Dynamik

5.5.5 Zusammenfassung

Astronomie & Astrophysik (SS 2011) 1

5.5.1 Detektion Entdeckungsmethoden

Erfolgreiche Detektionsmethoden

• Stellare Radialgeschwindigkeiten ([1m/s]) (Doppler-Methode)(Spektroskopie, 105 Spektrallinien)

• Sternbedeckungen (Transits)(Photometrie, Lichtkurve)

• Lichtablenkung (Gravitations-Linsen)(Photometrie, Lichtkurve)

• Direkte Abbildung (HR 8799, Fomalhaut)(2D Bild)

Noch nicht:• Astrometrische Entdeckung (Bewegung des Sterns am Himmel)


5.5.1 Detektion Radialgeschwindigkeitsmethode

MM

a a

p

1 2

*

i

(P.Armitage)

Sichtlinie des Beobachtersum Winkel i gegenScheibennormale geneigt

i = 0o: Face-Oni = 90o: Edge-On

Messe:

RG-Amplitude K = v∗ sin i

Umlaufzeit P

Sternmasse M∗ (aus SP-Typ)

Fur Kreisformige Bahn:

Impulserhaltung: v∗M∗ = vpMp

Kepler III: vp =√

GM∗a

⇓

Mp sin i = M∗K(

P2πGM∗

)1/3Erhalte immer Minimalmasseeines Planeten


5.5.1 Detektion Auswahleffektelo

g (m

ass)

log (semi−major axis)

Detectable

Undetectable

Orbital period = survey duration

(P.Armitage)

Mp sin i = M∗K(

P2πGM∗

)1/3

Einschrankungen:- Genauigkeit der RG-Messungen (K): 1m/s- Bahnperiode (P ): Beobachtungszeitraum muss langer als P seinVergleich: v∗ ≈ 12.5 m/s (Jupiter), v∗ ≈ 9 cm/s (Erde)


5.5.1 Detektion Transitmethode

Oben:Variation derSternmasse

Unten:Variation derPlanetenmasse

Relative Einsenkung- bestimmt: Verhaltnis Planeten- zu Sternradius- absoluter Planetenradius: brauche Sternradius- bei bekannter RG-Amplitude: → Planetenmasse


5.5.1 Detektion Die Kepler-Mission

Satellit beobachtet gleiches Feld im Sternbild Schwan fur 3 JahreHunderttausend Sterne gleichzeitig: Helligkeitsvariationen

Im Januar uber 1000 Planeten-Kandidaten bekannt gegebensiehe: http://archive.stsci.edu/kepler/planet candidates.html


http://archive.stsci.edu/kepler/planet_candidates.html

5.5.2 Objekte Erstes Objekt: 51 Peg

K = 55 m/sP = 4.23 Tagee = 0.00M = 0.45 MJup/ sin i

(Michel Mayor &Didier Queloz, 1995)

Amplitude (K), Periode (P ) und Sternmasse (M∗)⇒ Planetenmasse (Mp) & Abstand (a)

Sinusformige Radialgeschwindigkeitskurve⇒ kreisformige Bahn


5.5.2 Objekte Hohe Exzentrizitat: 16 Cyg B

(Cochran, et al., 1997)

K = 50 m/sP = 800 Tagee = 0.68M = 1.68 MJup/ sin i

Abweichungen von Sinuskurve⇒ elliptische Bahn


5.5.2 Objekte Planeten-System: HD 82943

K1 = 46 m/sK2 = 34 m/s

P1 = 221 TageP2 = 444 Tage

M1 = 1.85 MJup/ sin iM2 = 1.84 MJup/ sin i

(Mayor, et al., 2000)

Doppelperiodisch⇒ Zwei Planeten (in 2:1 Resonanz)


5.5.2 Objekte Planeten-Transits I

Hinreichend:Kleinere Instrumente

Hier 6cm Refraktor


5.5.2 Objekte Planeten-Transits II

Venus-Transit am 8. Juni 2004


5.5.2 Objekte Stern HD 209458

Beobachtung mit dem Hubble-Space-Teleskop (HST)

Stern: M∗ = 1.1 M�, R∗ = 1.3R� (aus Spektrum)Planet: P=3.52d, i=85.2, e =0, Mp=0.69 MJup, Rp=1.54 RJup

Transitbeobachtungen liefern: Physikalische Eigenschaften des Planeten(bei bekannter RG) ⇒ viele Transitsuchprogramme (Boden & Satellit)


5.5.2 Objekte Direkte Abbildung I

GQ LupiM∗ = 0.7 M�Abstand: 400 LJ.Alter: 106 Jahre

Mp unsicher5-40 MJup ?

proj. Abstand≈ 100 AE

(ESO, April 2005)


5.5.2 Objekte Direkte Abbildung II

Stern:HR 8799Sternbild: PegasusHelligkeit: 6. GroßenklasseMasse: 1.5MSonne

Alter: 60 Mio. JahreAbstand: 130 Lichtjahre

3 Planeten (2008)4. Planet (2010)


5.5.2 Objekte Direkte Abbildung III

Planeten:Abstand 24, 38, 68 AEMassen: 10, 10, 7MJup

Planetenbewegung !zum ersten Maldirekt beobachtet !

neuer Planet: 14.5 AE

Zwei weitere Systeme:- Fomalhaut- β Pic


5.5.2 Objekte Planetensystem (Sternbild Krebs)

5. Planet um 55 Cnc (41 Lichtjahre Abstand, M∗ = 0.95 M�)# Periode Abstand Masse

[Tage] [AE] [MJup]e 2,79 0,038 0,024b 14.65 0,115 0,836c 44,38 0,241 0,169f 260,67 0,785 0,144d 5371,82 5,901 3,923

Habitabel (bewohnbar) ?


5.5.2 Objekte Planetensystem (Gliese 581)

Ein System mit Super-Erden (Massen zwischen 1-10 MErde)


5.5.2 Objekte HD 189733b

“Erdgas auf 63 Lichtjahre entferntem Planeten entdeckt”(Schwabisches Tagblatt, 20.Mai 2008)

Transmissionsspektrum vom HST; (Nature, 20.3.2008)

Hier: Methan, CH4

Transmissionspektroskopie: erlaubt Bestimmung der Zusammen-setzung der Atmosphare des Planeten


5.5.3 Statistik Entdeckungen

Quelle: http://exoplanet.eu/


http://exoplanet.eu/

5.5.3 Statistik Bekannte Exoplaneten

Planetenkandidaten um sonnenahnliche Sterne

• Total ≈ 550 (April 2011)

• Bedeckende Planeten (Transits): 120

• Systeme mit 2 oder mehr Planeten: 60

• Planetensysteme in Doppelsternen: 40

• Planetensysteme in Resonanz: 8-10

• Anteil der Sterne mit Planeten: ≈ 13%

Liste: http://exoplanet.eu/ Bild:http://oklo.org/(by Greg Laughlin)


http://exoplanet.eu/

http://oklo.org/

5.5.3 Statistik Stern-Masse

(Johnson et al. 2007) Planetenhaufigkeit steigt mit Sternmasse


5.5.3 Statistik Stern-Metallizitat

Fischer & Valenti (2005)

... und mit Sternmetallizitat


5.5.3 Statistik Masse-Radius Relation

Aus Transitbeobachtungen. Universelle Relation ?


5.5.3 Statistik Masse gegen Abstand

Kleine Abstande (heiße Jupiter) & große Massen (Data: exoplanet.eu)

0.01

0.1

1

10

100

0.01 0.1 1 10

Mas

s [M

_Jup

]

Distance [AU]

Radial VelocityTransit

Solar

MErde =1

300MJup

aMerkur = 0.4AE


5.5.3 Statistik Direkte Abbildung

Große Abstande (einige 100 AE) (Data: exoplanet.eu)

0.01

0.1

1

10

100

0.01 0.1 1 10 100 1000

Mas

s [M

_Jup

]

Distance [AU]


SolarImaged


5.5.3 Statistik Exzentrizitat gegen Abstand

Große Exzentrizitaten (ahnlich zu Doppelsternen) (Daten: exoplanet.eu)

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0.01 0.1 1 10

Ecc

entr

icity

Distance [AU]


Solar


5.5.4 Dynamik Turning Planetary Theory Upside Down

ESO press release am 13. April, 2010Misalignment of planetary orbit and stellar rotation


5.5.4 Dynamik Rossiter McLaughlin Effekt

Variation der Radialgeschwindigkeitskurve (RG) wahrend Bedeckung

Planet bedeckt erst auf uns zukommende, dann sich von uns entfernendeSternseite.⇒ Anderung der RG-Kurve im Transit⇒ Bestimmung der Neigung der Bahn gegen Sichtlinie moglich

Zuerst bei Doppelsternen angewandt (um etwa 1924)


5.5.4 Dynamik Effekt auf RG-Kurve

Joshua Winn

(Winn et al. 2008)


5.5.4 Dynamik Bahnneigung

Himmelsprojizierter Winkel (Daten: exoplanet.eu, Matsumura et al., 2010)

-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

0.01 0.1 1

Lam

bda [deg]

Distance [AU]

Transit

Stark geneigte und retrograde Bahnen


5.5.4 Dynamik Resonante PlanetenTotal: 550 Planeten Systeme: 60 Resonant: ≈ 10

Haben rationales Periodenverhaltnis

Bspl. System GJ 876Mb,c = 0.56, 1.9 MJup

Pb,c = 30, 60 [Tage]ab,c = 0.13, .21 [AE]

e1,2 = 0.24, .04

Periastron-Shift:$ = - 41 [deg/yr]

(Lee, 2002)

Die meisten Systeme haben 2:1, dann 3:1, eins 3:2

Stabilitat: Relative Orientierung der Apsidenlinie ist wichtigEntstehung: Brauche Mechanismus, welcher Abstande andert


5.5.4 Dynamik Das System: Kepler 9

(oklo.org)

Entdeckt durch:Transit-Timing-VariationsMehrere Planeten be-decken Stern!Flaches System.d.h.: i = 90o

M1,2 = 0.252, .171 MJup

Pb,c = 19.2, 38.9 [Tage]a1,2 = 0.140, .225 [AE]

2:1 Resonanz !(Holman ea., 2010)

Plus weiterer erdahnlicher Planet ?


5.5.4 Dynamik Signal eines Multi-Planet-System


5.5.5 Zusammenfassung Ein Vergleich

Wesentliche Unterschiede zwischen solaren und extrasolarenPlaneten:

Sonnensystem ExoPlanetenPlanetenmasse klein hochHalbachse groß kleinExzentrizitat klein hochBahnneigung klein großBahnresonanzen keine einige

Was ist ein Planet ?


Einfuhrung¨ in die Astronomie & Astrophysik 5.5 ...kley/lehre/astronomie/script1/kap5e.pdf ·...

Documents

Transcript of Einfuhrung¨ in die Astronomie & Astrophysik 5.5 ...kley/lehre/astronomie/script1/kap5e.pdf ·...