• Sonne (Werner Schmutz)• 8 Planeten• Monde, Satelliten• Zwergplaneten: kugelförmig aber Bahn nicht von

anderen Objekten freigeräumt (Ceres, Pluto, Eris, Makemake…)– Asteroiden (Ceres, Juno, Vesta, NEOs, )– TNOs (Transneptunische Objekte,Pluto,…)

• Kometen, • Meteoriten• Meteore (Sternschnuppen)

Sonnensystem

Planeten im Sonnensystem

2 Typen: terrestrische Planeten (Merkur, Venus, Erde, Mars)hohe Dichte: 4 – 5 g/cm3, kein He,H-Gas

Gasplaneten (Jupiter, Saturn, Uranus, Neptun)niedrige Dichte: 0.7 – 1.8 g/cm3, H, He häufigste Elemente

Warum hat der Mond keine Atmosphäre?

• Mondphasen synodischer Monat 29.5 Tage siderischer Monat 27.3 Tage

• Mondbahn: <R> ≈ 380 000 km, v = 1.0 km/s• Bahnebene: ~ 5o geneigt zur Ekliptik• Rotation: P=27.3 Tage, Achse senkrecht zur Bahnebene

gebundene Rotation• Schwerpunkt Erde-Mond System: aE/aM=MM/ME = 1/83

Gezeiteneffekte• Deformation der Erdkugel

Drehimpulstransfer: Erdrotation Mondbahn• Erdtag wird länger: 0.0016 s/Jahrhundert• Distanz Erde – Mond vergrössert sich: 4 cm/Jahr• Monat wird länger: 0.0035 s/Jahr

Endzustand: gebundene Rotation der Erde

• Lunisolarpräzession

Der Mond

ΔK = GMm/l12 – GMm/l22

MondSonne

Mondoberfläche• dunkle Tiefebenen (Mare)• hellere Hochländer (Terrae)• Krater

Krater:• vertiefte Mulden• erhöhter, ringförmiger Rand• zentraler Kraterberg• max. Höhenunterschiede bis 10 km

• Kraterhäufigkeit ist ein Mass für das Alter der Oberfläche

Wasser auf dem Mars?

Polkappen (Wassereis, Trockeneis CO2)

Canyon-artige Kanäle(Hinweis auf fliessendes Wasser)

Marsatmosphäre

vielfältige, geologische Strukturen

Bedingungen für Leben I

• feste Oberfläche terrestrischer Körper

• günstige Temperatur Wasser vorhandenoder mittlere Temperatur ca. 20o C

Temperatur wird bestimmt durch

Sonnen-Einstrahlung und Wärmestrahlung des Planeten

TPlanet ~ Lstar/d1/2

definiert die bewohnbare Zone im Planetensystem

0.3 3.01.0 30.10.Distanz

AE

0o

-250o

500o

250o

Temperatur

Bewohnbare Zone im Sonnensystem

Plu

to

Nep

tun

Ura

nus

Sat

urn/

Tit

an

Jupi

ter/

Eur

opa

Mar

s

Erd

e/M

ond

Ven

usM

erku

r

Bew

ohnb

are

Zon

e

Bedingungen für Leben II • eine Atmosphäre (?)

d.h. gravitativ gebundene Gasteilchen Masse des Objekts darf nicht zu klein sein

• gleichbleibende Bedingungen Kreisbahn,

- evtl. stabile Rotationsachse (Mond)- stabile Temperatur (Meer, Atmosphäre)

konstante Sternstrahlung

• gute “chemische Voraussetzungen”Wasser

- woher kommt das Wasser der Erde?

Eigenschaften der terrestrischen Planeten(inklusive Europa und Titan)

Distanz [AE] Bahnperiode

Masse [Erdmassen]

Temp. [oC]

Zusammensetzung der Atmosphaere

Merkur 0.39 AE 0.24 J

0.06 ME keine

Venus 0.72 AE 0.61 J

0.82 ME 470 oC CO2 (95%)

Erde 1 AE 1J

1 ME 15 oC N2(78%)O2(21%)

Wasser!

Mars 1.5 AE 1.88 J

0.11 ME - 60 oC CO2 (95%)

Europa 5.2 AE 11.9 J

0.008 ME keineEis; Wasser darunter?

Titan 9.6 AE 29.6 J

0.02 ME -200 oC N2, CH4, …

Io, Europa, Ganymed

Eros

Miranda/ U (D=470 km)

Phobos/M (D=20 km)

Miranda/U

Mimas/S (D=400 km)

Vesta (Dawn 17.7.2011)

Galileo-Beobachtung: Ida (59 x 25 x 19 km) und Dactyl (1.5 km)

TNOs

Die physikalische Beschaffenheit der Planeten• Sonne = 99.9% der Masse des Sonnensystems

Elementhäufigkeiten: H: 70%, He: 28%, Rest: 2% (O,C,Ne,Fe,N,Si,Mg) • Planeten = 98% des Drehimpulses

• Sonne: H: 70%, He: 28%, Rest: 2% (O,C,Ne,Fe,N,Si,Mg) • Jupiter und Saturn: H + He: 75-90%• Uranus und Neptun: H + He: 10-20%

• Rest: besteht aus Elementen die sich leicht in Staubteilchen binden lassen• Körper nahe der Sonne: Mg-, Ca-, Mg-, Fe-, -SiOx, (Silikaten), Fe• Körper weiter weg von der Sonne: + H2O, CO2, etc.

Häufigkeitsverhältnisse der schweren Elemente gleich wie Sonne (es fehlen aber H, He, N, Ne …)

Mittlere Dichte in [g/cm3] Gasplaneten: 0.7-1.6 Gas mit schwerem KernMerkur, Venus, Erde: 5.2-5.6 grosser EisenkernMond, Mars: 3.3-3.4 kleiner EisenkernPluto, Jupitermonde: ca. 2 Silikate, viel Eis

KometenZusammensetzung: Schnee und Eis: H2O, CO2, CO, HCN, …Silikat- und Eisenstaub Schmutziger Schnellball

Komet West Komet Hale-Bopp

schmaler gerader Ionenschweif + breiter Staubschweif

Aufbau der Kometen

Komet Wild (grosse Sonnendistanz)

Komet Shoemaker-Levi

Kometenschweif• Entwicklung von Koma und Schweif:

• bei ca. 3 AE verdampfen von CO2

• bei ca. 1.5 AE vedampft H2O• Gas und Staub• ca. 10% der Oberfläche sind aktiv• Ionen werden vom geladenen Sonnenwind mitgerissen (gerade) • Staubteilchen verursachen Streuung des Sonnenlichts (Beschleunigung durch Strahlungsdruck)

MeteorströmeMeteore (Sternschnuppen): Staubteilchen

z.B. von Kometen verloren: Komet Biela• 1772 endeckt (P = 7 Jahre)• 1846 zwei Teile, • 1852 zum letzten mal gesichtet, nachher verschollen• 1872,1885, extreme Meteorstürme• danach wurden Straubteilchen abgelenkt• Meteorströme: Perseiden (ca. 10. Aug), Leoniden (ca. 17. Nov)

Eisenmeteorit

Chondrit-Meteorit

Zeugen aus dem frühenSonnensystem

Das Alter der Erde

Alterbestimmung ergibt:Primitive (ursprüngliche) Meteoriten: 4.56 ± 0.02 Mia. Jahredie meisten Meteoriten: 4.4 – 4.56Mondgestein 3.1 – 4.4ältestes Gestein auf der Erde < 4.1

Aufbau der Erde

Planetenentstehung

Trapez-Sternhaufen im Orion-Nebel (Alter: ~ 1 Mio Jahre)

Protoplanetare Scheibe in Orion

Entstehung des Sonnensystems

• Aus einer rotierenden Scheibe Bahnbewegung der Planeten (Richtung, Exzentrizität)

• Staub sammelt sich in der Mittelebene der Scheibe an und es bilden sich immer grössere Körper

• Ausserhalb der Schneelinie (3AE) können sich auch eishaltige Körper bilden Dichte der Körper

• Ein Protoplanet mit genügend Masse und tiefer Temperatur kann eine Gashülle einfangen Position der Gasplaneten

• Dominante Körper sammeln kleine Körper in ihrem G-Bereich ein und werden zu Planeten

Entstehung des Mondes

Einschlag eines grossen Körpers in die Proto-Erde

• Fragmente sammeln sich inder Nähe der Erde zum Mond

Mond hat niedriger Eisengehalt, weil hauptsächlich Mantelmaterial weggesprengt wurde

Extra-solare Planeten

Bewegung des Sterns wegen Planeten

- Radialgeschwindigkeit

mp sin i, orbit

- Astrometrische Bahn

mp, orbit

Entdeckung von Planeten mit indirekten Methoden

Suche nach extra-solaren PlanetenMessung der Radialgeschwindigkeitvariationen von Sternen Nachweis von ~ 500 Planeten

http://www.astronomie.info

Dopplereffekt (radiale Geschwindigkeit) verschiebt Wellenlänge des Signals

Mayor und Queloz (Obs. Genf) weisen 1995 ersten extra-solaren Planeten nach

Planet 51 Peg b • Masse ca. 0.5 Jupitermassen • Bahnperiode nur 4.2 Tage• Distanz zum Stern 51 Peg nur 10 Sonnenradien• Oberflächentemperatur ca. 1200oC

völlig unerwartete Eigenschaften für einen Planeten

Messung einer Verschiebung

Bahnparameter für die Planeten

1% der Sterne haben Gasriesen in engen Bahnen

Exzentrizität ist oft hoch

es gibt viel mehr Neptun-artige Planeten

Indirekte Methode: Planetentransits periodischen Transits (ca.100 Planeten + 1000 Kandidaten)

~0.01% -1% Effekt in der Lichtkurve

Radiusbestimmung + Masse (RV) mittlere Dichte

Venus-Transit 2004(6.6.2012)

HAT P-13 b, Bahnperiode 2.9 Tage

Transit-Suche mit Weitwinkel-Kameras

Transits:Neue Gruppe von Planeten

0.1 100 AU101.0

0.1

10

1.0

0.001

0.01

MJ

d

Revolution in diesem Jahr:

Kepler-Satellit untersucht ca. 150000 Sterne findet in 3 Monaten ca. 1200 Planeten-Kandidaten

HAT-P-7 b Transit beobachtet mit dem Kepler-Satellit

Darstellung der Kepler Sterne mit Transits

Sonne mit Jupiter

Kepler findet:• Planeten sind sehr häufig (es gibt mehr Planeten als Sterne!) • jeder 3. Stern hat eine Planeten > als 2 Erdradien• Systeme mit vielen Planeten sind häufig (wo es Platz hat, sind Planeten)

es gibt viele Planeten in der bewohnbaren Zone • heisse Gasriesen sind einsam – sie haben Planetensystem ge(zer)stört

Kepler 11 zeigt Transits von 6 Planeten

Suche nach extra-solaren Planetendirekte Abbildung (~5 Planeten)

On the left: you can see a sequence of 40 different speckle patterns.

On the right: the sum of these patterns that a CCD can reveal after an exposure of 2 seconds (if 0.05 s is a lifetime for a speckle pattern). Notice that a great number of speckle patterns (a long exposure) create a figure on the CCD very similar to a seeing disk.

simulation of speckle pattern

Adaptive Optik1. Wellenfrontsensor

misst Störung der Wellenfront durch Erdatmosphäre

2. Computer berechnet Korrektur

3. Deformierbarer Spiegel korrigiert Wellenfrontfehler

1´´

108

log I

104

log I

107

log I

Example: Sun – Jupiter system at 5 pc

X-AO

tiny planetary signal in bumpy and variable PSF halo

Differential Imaging

From Racine et al. 1999

Residual pattern due:- to wavelength dependence of speckles- non-common optical paths- detector flat-fielding errors

Expected polarization• for Rayleigh scattering by

molecules or haze particles

strong phase dependence expected:

inclination = 0o p=constant & highpos. angle rotates

inclination = 70o

p=high for large separation

• scattering by clouds produces only little polarization

in red light p>40% at poles p<5% at equator p~11% integrated

Phase angle = 82(inclination ~ 30)

in blue light p~19% integrated

Polarization of Jupiter

polarization p(90) vs. reflectivity f(90)

Solar system planets surface properties

p(90) f(90)rockyMercury 5-10% lowMars 5-10% low

cloudy (little Rayleigh scatt.)Venus <5% (–) high Saturn <5% high

cloudy and Rayleigh scatt.Jupiter 5-20% highEarth 5-20% high

strong Rayleigh scatteringUranus >15% med.Neptune >15% med.Titan 50% med.

R-band

a VLT instrument onthe Nasmyth platform

Opto-mechanical implementation

Opto-mechanical implementation

Extreme AO system (~1.3 kHz)1. pupil shift corrector2. ( pupil derotator )3. fast tip-tilt mirror 4. 41 x 41 deformable mirror5. visual WFS (Shack-Hartmann)6. diff. wave front-sensor

1

2

3

4

5

6

Opto-mechanical implementationCoronagraphyA. IR-coronagraph (ALC, 4QPM, etc)B. visual coronagraph (LC, 4QPM)Focal plane instruments• IRDIS differential imager• Integral field spectrograph• Zurich Imaging Polarimeter

12

3B

A

6

European Extremely Large Telescope (diameter about 42 m)

Microlensingseparationmass ratio

planetary system lensmass ratio: 250Mp ≈ 1.5 MJ, a ≈ 3 AU

Microlensing event by a planet with 5.5 ME at 2.6 AU from a star with 0.2 Msun