Exo-Planeten Sind wir allein? - lsw.uni-heidelberg.de · Zur Historie 2 • Kurz nach der Entwicklung des Teleskops begann die Suche nach extrasolaren Planeten (Christian Huygens

Exo-Planeten Sind wir allein?

Max Camenzind

Senioren-Uni Bad Kissingen @ 1.3.2012

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

Nachtrag: Komet Halley

Schweif: vom Sonnenwind weggeblasen

Periode: 75,3 Jahre; Perihel: 0,568 AE

Komet Hartley 2

Hartley 2 Periode:

6,46 Jahre

Perihel: 1,06 AE

Aphel: 5,88 AE

Exc: 0,695

1986 entdeckt

Malcolm Hartley

Komet Hartley 2

Abdampfen

von CO2

und Eis

Komet Hartley 2

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

Planetensysteme d < 1000 LJ

Planeten

können

heute nur

in Sonnen-

umgebung

gefunden

werden

Sonne

Habitable Zone um einen Stern

Existenz von

Wasser

Abstand vom Zentralstern in AE

Ste

rnm

ass

e in

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

Exo-Planeten

Mikrolensing

Dopplermethode

Transit-Methode

Exo-Planeten-Suche > 1989

Direkte Methode

nur bei

Braunen Zwergen

Stern muss lichtschwach

sein

Doppler-Methode

Doppler-Verschiebung

durch Sternbewegung

Bewegung um Schwerpunkt

Solares Baryzentrum

Sonnensystem außerirdisch

mit Dopplermethode beobachtet Doppleramp. Jupiter: 13 m/s; Saturn: 2,7 m/s

Dopplermessungen Beispiele

Mayor & Queloz 1995, Nature 378, 355

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).

6 Planeten

Gliese 581 Roter Zwerg

Gliese 581g Super-Erde Periode: 36,6 Tage; stabiles Klima

Abstand vom Zentralstern in AE

Ste

rnm

ass

e in

So

nn

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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

Inst

rum

en

telle

Gre

nze

Histo Doppler-Amplituden

G-S

tern

e

K-S

tern

e

Histogramm Sternmassen

Typische

Mutterstern ist

sonnenartig

M-Sterne Rote Zwerge

Histo Sterntemperaturen

Typische

Mutterstern ist

Sonnenartig

Sonne: 5770 K

Neptuns

Jupiters Terrestr

Histogramm Planetenmassen

Distanz Sterne aus Parallaxe

1 Parsec =

3,26 Lichtjahre

Histo Sternradien

Typische

Mutterstern ist

Sonnenartig

S: 700.000 km

Me

rku

r

Erd

e

Histogramm Bahnperioden

Innerhalb

Merkur-

Bahn

Erd

e

Me

rku

r

Histo Bahn-Halbachsen

Innerhalb

Merkur-

Bahn

Planetenorbits i.a. exzentrisch

Sonnensystem

Gibt es Korrelationen ? - nein

4 innere Planeten

Jupiter

Photometrie von Transits

• Periodische Helligkeitsänderung durch

Sternbedeckung – wie Venus-Transits.

• Helligkeitsänderung ist proportional zum

Radiusverhältnis2 (RPl/R*)2 ~ 0,01 – 0,0001

Transits

Genauigkeit besser als 0,0005 Magnituden

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

HST/STIS

HD 209458

Transits

Brown et al. (2001)

Rp = 1,35 ± 0,06 RJup

i = 86o,6 ± 0o,2 1%

Super-

WASP 50 Jupiters mit

Perioden von Tagen

SuperWASP Nord

(Wide Angle Search for Planets)

La Palma

SuperWASP Süd

(Wide Angle Search for Planets)

South Africa

Pla

nete

nm

ah

lzeit

– P

= 1

,09 d

CoRoT COnvection

ROtation and

planetary

Transits

2006

CoRoT 1b – 2b „Hot Jupiter“

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 3b

CoRoT 3b:

Masse = 21,66 MJ

Radius = 1,01 RJ

Temp = 1537 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 Mission March 6, 2009

Kepler – 1,4m Schmidt Teleskop

• 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

Liftoff!

6. März, 2009 10:48 PM

Eine Handbreit

am Himmel

156.000 Sterne

Ers

tes L

ich

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ep

ler

Fe

ld

• 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

Die ersten Kepler-Planeten Alles kurzperiodische Planeten !

02-2011

Positionen Kepler-Planeten

02-2011

Die Kepler-Planeten 2011

Die Kepler-Kandidaten 2012

1. Run

Febr. 2011

Jan. 2012

16 M Oper

Die Kepler-Kandidaten 2012

Die Kepler-Kandidaten 2012 1 – 6 Planeten

Planetentemperatur

HZ Sonne

Planetensystem Kepler-11

Chemische Zusammensetzung

Radien der Kepler Planeten

Kepler-20 – Exotisches System

Kepler-20e, f - Erdähnlich

Wasser-Eis

MgSiO3

Eisen-Core

Staub & Gas in Galaxien Spiralarmen

Andromeda

Spitzer Telescope

Warum entstehen Planeten?

Spitzer &

Hubble

De

r O

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n-N

eb

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G

eb

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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)

Sternfabriken Messier 16

Adler Nebel

Kitt Peak/0.9 m

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

Asteroiden =

Planetesimale

= “Bauschutt”

Planetenbildung aus Planetesimalen

Planeten Lücke

in Gasscheibe „Debris Disk“

Kuiper Gürtel

~ 30 – 55 AE

Alt

ern

ati

ve

s M

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ell

Sc

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is

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rav

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Bo

ss

20

02

)

Akkretionsscheibe Gravitativ instabil

Spiralarme Verdichtungen Planeten

Pla

net

en

bild

un

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Gra

vita

tio

nsi

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Dichte Planeten bilden sich in Verdichtungen

Planeten-Migration

Jupiter

Sonnen

Nebel

Ursprünglicher

Orbit Reibung

Jupiter

spiraliert

nach innen

Planeten-Migration Computerrechnungen

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