Masse [M_ju]

(1)

Exoplaneten

Teil 1

Seminarvortrag Thomas Kohlmann

23.11.2009

(2)

Was ist ein Planet ? Was ist ein Planet ?Was ist ein Planet ? Was ist ein Planet ?

früher: unstetes himml. Objekt, „Wandelstern“

neue Entdeckungen → Definition schwieriger Planet :

Sternbegleiter mit weniger als 13 M_J (→ keine Deuteriumfusion)

(3)

Unser Sonnensystem Unser SonnensystemUnser Sonnensystem Unser Sonnensystem

Felsige Pl. Gasplaneten

(4)

Was ist ein Was ist ein Was ist ein

Was ist ein ExoplanetExoplanetExoplanetExoplanet ????

Extrasolar → außerhalb des Sonnensystems KURZ: EXOPLANET =

Planet um einen anderen Stern Namensgebung:

z.B. 51 Peg b

(5)

Warum interessant ? Warum interessant ? Warum interessant ? Warum interessant ?

rein wissenschaftlich jetzt aufspürbar !

Entwicklungsstadien → unser Sonnensystem!

Dynamik

philosophischer Ansatz :

Aristoteles Epicorus

Exo-Erden → LEBEN ?

(6)

Habitable Habitable Habitable

Habitable ZoneZoneZoneZone

→ flüssiges Wasser

(7)

Kurze Entdeckungsgeschichte Kurze Entdeckungsgeschichte Kurze Entdeckungsgeschichte Kurze Entdeckungsgeschichte

Mitte 20.Jhd. : Viele Falschmeldungen

1992 : erste Planeten um Pulsar (Wolszczan) 1995 : erster Planet um

sonnenähnlichen Stern (Mayor & Queloz) 1997 : erstes Planetensystem

2004 : erste direkte Beobachtung (ESO)

Okt. 2009 : 403 Exoplaneten in 341 Systemen

(8)

Ü Ü Ü

Übersicht bersicht bersicht bersicht üüüber Methodenüber Methodenber Methodenber Methoden

Direkte Abbildung : ∆ Koronographie

∆ Interferometrie

∆ Weltraumteleskope

∆ adaptive Optiken

Indirekte Methoden : ∆ Radialgeschwindigkeit

∆ Transit

∆ Astrometrie

∆ Lichtlaufzeitvariationen

∆ Gravitationslinseneffekt

(9)

prinzipielle Winkelauflösung : beugungsbegrenzt!

→

→ Teleskop:

Direktes Abbilden Direktes Abbilden Direktes Abbilden

Direktes Abbilden → Probleme!!!Probleme!!!Probleme!!!Probleme!!!

d φ a

tan

φ≈≈≈≈ ====

m 7 , 2 D

D

22 λ , 1

φ_min==== ⋅⋅⋅⋅ →→→→ ≈≈≈≈

"

065 ,

0 ly

50 AU 1 ≈≈≈≈

(10)

Intensitätsverhältnis

→ sehr empfindliche Apparaturen nötig !!!

Direktes Abbilden Direktes Abbilden Direktes Abbilden

9 2

. Pl

* .

Pl 10

a ) R

,α (λ L p

L ₋

≈



 



⋅

=

(11)

Seeing

→ atmosphärische Turbulenzen

→ Europa : 2“ - 5“ Chile: evtl. ≤ 0,4“

(12)

Direktes Abbilden → LLLLööösungen!!!ösungen!!!sungen!!!sungen!!!

Intensitätsverhältnis :

Allg. : Infrarotbereich Koronographie

Nulling Interferometrie Seeing :

Weltraumteleskope Adaptive Optiken ...

(13)

gezieltes Unterbrechen störenden

Lichts, z.B. durch Masken in Fokusebene

Koronographie Koronographie Koronographie Koronographie

(14)

Koronographie Koronographie Koronographie

Koronographie : Beispiel: Beispiel: Beispiel: Beispiel

(15)

Koronographie KoronographieKoronographie

Koronographie : : : : ErfolgeErfolgeErfolgeErfolge

(16)

Idee : 1978, Bracewell

1 → 2 oder mehr Teleskope

Signale interferieren

→ destruktiv für Stern,

konstruktiv für Planet !!!

Nulling NullingNulling

Nulling InterferometrieInterferometrieInterferometrieInterferometrie

(17)

Nulling NullingNulling

Nulling InterferometrieInterferometrieInterferometrieInterferometrie

(18)

ungenaue Ausrichtung Phasenfluktuationen

interne Kontrastverluste Wellenfrontverzerrungen

Abhilfe : Interferometer

drehen →

Nulling Nulling Nulling

Nulling InterferometrieInterferometrieInterferometrieInterferometrie : Probleme: Probleme: Probleme: Probleme

(19)

Heute : z.B.

Nulling Nulling Nulling

Nulling InterferometrieInterferometrieInterferometrie : EinsatzInterferometrie : Einsatz: Einsatz: Einsatz

(20)

kein Seeing

keine Filterwirkung (z.B. auf UV-Bereich)

Hubble (seit 1990) / James Webb (ca.2013)

Weltraumteleskope Weltraumteleskope Weltraumteleskope Weltraumteleskope

(21)

Weltraumteleskope : Formalhaut b Weltraumteleskope : Formalhaut b Weltraumteleskope : Formalhaut b Weltraumteleskope : Formalhaut b

(22)

entwickelt vom US-Militär in 70ern

erste zivile Anwendungen ca. 20 Jahre später heute: weit verbreitet, u.a. am VLT (ESO)

Prinzip : geschlossener Regelkreis:

1. Wellenfrontsensor

2. Rekonstruktionsrechner 3. Aktives optisches Element

Adaptive Optiken Adaptive OptikenAdaptive Optiken Adaptive Optiken

(23)

Mikrolinsenarray ortsempf. Detektor

Gradientenfeld der Welle!

Adaptive Optiken : Adaptive Optiken : Adaptive Optiken :

Adaptive Optiken : HartmannHartmannHartmann----ShackHartmann ShackShack----SensorShack SensorSensorSensor

∆_n

(24)

Echtzeitcomputer :

Datenverarbeitung und -weiterleitung Membranspiegel :

Adaptive Optiken : Computer und Spiegel Adaptive Optiken : Computer und Spiegel Adaptive Optiken : Computer und Spiegel Adaptive Optiken : Computer und Spiegel

(25)

mehrere 100mal pro Sekunde!

Adaptive Optiken : Gesamtaufbau Adaptive Optiken : Gesamtaufbau Adaptive Optiken : Gesamtaufbau Adaptive Optiken : Gesamtaufbau

Teleskoplicht

(26)

Adaptive Optiken : Beispiel Adaptive Optiken : Beispiel Adaptive Optiken : Beispiel Adaptive Optiken : Beispiel

(27)

Adaptive Optiken : Erfolge Adaptive Optiken : ErfolgeAdaptive Optiken : Erfolge Adaptive Optiken : Erfolge

(28)

Planet und Stern bewegen sich um gemeinsamen Schwerpunkt

→ Periodische Sternbewegung

→ bewegter Sender von EM-Wellen !

Radialgeschwindigkeitsmethode Radialgeschwindigkeitsmethode Radialgeschwindigkeitsmethode Radialgeschwindigkeitsmethode

(29)

∆λ₀

Dopplereffekt: messbar durch Fraunhofer-Linien :

λ₀

blauverschoben

rotverschoben

c v λ

- λ λ λ

λ

∆

0 0 0

0 ==== ====

(30)

Linienverbreiterung

→ durch diffuse Atombewegung aufgrund T_Stern v_* sehr gering

→ Erde / Sonne : ≈ 9 cm/s ! Nur 1 m/s auflösbar !

→ oft nur der Linienbreite ! Planeten mit langen Perioden

→ langzeitstabile Messung !

exakte Messung der Verschiebung schwierig

→ keine feste Referenz

Radialgeschw.

Radialgeschw.----methodemethodemethodemethode : Probleme mit Linien: Probleme mit Linien: Probleme mit Linien: Probleme mit Linien

1000 1

(31)

Aufprägen von Referenzlinien : Jodzelle Linien : fest, schmal, langzeitstabil

Radialgeschwindigkeitsmethode : Jodzelle Radialgeschwindigkeitsmethode : Jodzelle Radialgeschwindigkeitsmethode : Jodzelle Radialgeschwindigkeitsmethode : Jodzelle

Jodspektrum

Sternspektrum

Messung (Punkte)

10 x Abweichung

(32)

Radialgeschwindigkeitsmethode : Radialgeschwindigkeitsmethode : Radialgeschwindigkeitsmethode :

Radialgeschwindigkeitsmethode : vvvv_rad_rad_rad_rad(t(t))))(t(t

≈ Kreisbahn (e ≈ 0) e >> 0 Beispiele:

(33)

Gegeben : v_*, P, M* a_*<<a_Pl., M_*>>M_Pl.

aus 3. Keplergesetz →

F_Z = F_G →

Schwerpunktsatz : →

. Pl

* .

Pl a

M v ==== G⋅⋅⋅⋅

. Pl

*

* .

Pl v

v M ==== M ⋅⋅⋅⋅

3

2 2

* .

Pl 4π

P M

a ==== G⋅⋅⋅⋅ ⋅⋅⋅⋅

⊥

⊥⊥

⊥

(34)

Unbekannte Neigung i

nur untere

Massengrenze bestimmbar !

messe aber

Radialgeschwindigkeitsmethode : Probleme Radialgeschwindigkeitsmethode : ProblemeRadialgeschwindigkeitsmethode : Probleme Radialgeschwindigkeitsmethode : Probleme

. Pl

*

* .

Pl v

v

M ==== M ⋅⋅⋅⋅ v_*_⊥_⊥⊥_⊥ ==== v_* ⋅⋅⋅⋅sin(i)

. Pl

max

*

* .

Pl v

v ) M

i sin(

M ⋅⋅⋅⋅ ==== ⋅⋅⋅⋅ ^⊥^⊥⊥^⊥

Pl.

*

* .

Pl v

v sin(i) M

M ⋅⋅⋅⋅ ==== ⋅⋅⋅⋅ ^⊥^⊥⊥^⊥

(35)

Pulsationen, Aktivitätszyklen, Sonnenflecken

→ periodisch ! → Exoplanet ???

Radialgeschwindigkeitsmethode : Probleme Radialgeschwindigkeitsmethode : ProblemeRadialgeschwindigkeitsmethode : Probleme Radialgeschwindigkeitsmethode : Probleme

(36)

1995 : erster Exoplanet 51 Peg b

1997 : erstes System y Andromedae (3 Pl.) 2007 : evtl. in habitabler Zone

Gliese 581

Radialgeschwindigkeitsmethode : Erfolge Radialgeschwindigkeitsmethode : ErfolgeRadialgeschwindigkeitsmethode : Erfolge Radialgeschwindigkeitsmethode : Erfolge

(37)

403 Exoplaneten in 341 Systemen bekannt 42 Systeme mit mehr als einem Exoplaneten ~ 5% aller Systeme mit Hinweis auf Planeten

→ Exoplaneten eher die Regel !!!

Ergebnisse (Stand 27. Okt. 2009) Ergebnisse (Stand 27. Okt. 2009)Ergebnisse (Stand 27. Okt. 2009) Ergebnisse (Stand 27. Okt. 2009)

(38)

Viele “Hot Jupiters”

→ “bevorzugte Planeten” der Radialgesch.-Methode

Merkur

0.00001 0.0001 0.001 0.01 0.1 1 10 100

0.01 0.1 1 10 100

gr. Halbachse [AU]

Masse [M_ju]

(39)

Nahe am Stern : oft e < 0.2 Weiter weg ( > 1AU) : oft e >> 0

Merkur

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

0.01 0.1 1 10

gr. Halbachse [AU]

Exzentrizität

(40)

Jetzt : Kenntnis über mehr als 1 Planetensystem !

Koronographie

Nulling Interferometrie Weltraumteleskope

Adaptive Optiken

Radialgeschwindigkeit

Planetensystementstehung zukünftig erforschbar

Zusammenfassung Zusammenfassung Zusammenfassung Zusammenfassung

}

viele Erfolge

}

wenige Erfolge

(41)

“Auf der Suche nach Planeten um andere Sterne”

(1997), Wambsganß

“Extra-solar planets” (2000), Perryman

“Extrasolar Planets” (2006), Quirrenbach

“The new worlds - extrasolar planets” (2007),

Casoli & Encrenaz

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Quellen Quellen Quellen Quellen