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
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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)
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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
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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)
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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
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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
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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
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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
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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)
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5.5.2 Objekte Planeten-Transits I
Hinreichend:Kleinere Instrumente
Hier 6cm Refraktor
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5.5.2 Objekte Planeten-Transits II
Venus-Transit am 8. Juni 2004
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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)
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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)
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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)
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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
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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) ?
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5.5.2 Objekte Planetensystem (Gliese 581)
Ein System mit Super-Erden (Massen zwischen 1-10 MErde)
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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
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5.5.3 Statistik Entdeckungen
Quelle: http://exoplanet.eu/
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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)
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5.5.3 Statistik Stern-Masse
(Johnson et al. 2007) Planetenhaufigkeit steigt mit Sternmasse
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5.5.3 Statistik Stern-Metallizitat
Fischer & Valenti (2005)
... und mit Sternmetallizitat
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5.5.3 Statistik Masse-Radius Relation
Aus Transitbeobachtungen. Universelle Relation ?
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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
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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]
Radial VelocityTransit
SolarImaged
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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]
Radial VelocityTransit
Solar
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5.5.4 Dynamik Turning Planetary Theory Upside Down
ESO press release am 13. April, 2010Misalignment of planetary orbit and stellar rotation
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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)
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5.5.4 Dynamik Effekt auf RG-Kurve
Joshua Winn
(Winn et al. 2008)
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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
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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
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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 ?
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5.5.4 Dynamik Signal eines Multi-Planet-System
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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 ?
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