Info: diese Präsentation beinhaltet sowohl reale

Himmelsaufnahmen als auch künstlerische Darstellungen

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Die Jagd nach

fremden Welten

Image Credit Yuri Beletsky

Stefan Hippler

Max-Planck-Institut

für Astronomie,

Heidelberg

Robert-Mayer-Sternwarte

Heilbronn November 2010

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Übersicht

• Exoplaneten: von der reinen Vorstellung zu echten

Photographien

• Wie entstehen (Exo)Planeten

• Wie werden Exoplaneten gefunden und untersucht

• Ausblick

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Frühe Aufzeichnungen vor ca. 2300 Jahren

Hauptwerk: 37 Bücher Peri physeos “Über die Natur”

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Zweite Hälfte des

16. Jahrhunderts

Innumerable suns exist;

innumerable earths revolve

around these suns in a manner

similar to the way the seven

planets revolve around our sun.

Living beings inhabit these

worlds.

Giordano Bruno, italienischer Priester, Dichter und Philosoph

im 16. Jahrhundert

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Science

Fiction

1656 Cyrano de Bergerac

1752 Voltaire

1897 Kurd Laßwitz

1907 Hans Dominik

Illustration: Alfred Kelsner

Pabel-Moewig Verlag

Perry Rhodan Titelbild 2204

bei Pabel-Moewig Verlag anfragen

1961

Perry

Rhodan

Serie

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Der Anfang der Teleskop-Astronomie

Galileis Teleskop hatte

eine Vergrößerung

von ~ 14

•

•

•

Hans Lipperhey, Brillenhersteller

aus den Niederlanden,

konstruierte das erste Teleskop

(Refraktor) im Jahr 1608

Galileo Galileis Entdeckung

einiger Jupitermonde;

Galileischen Monde (1610); die

ersten Himmelsobjekte, die

nicht die Erde umkreisten

(geozentrisches Weltbild?).

Johannes Kepler entdeckte die 3

Gesetze der Planetenbewegung

(1+2: 1609, 3: 1618)

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1. Kepler-Gesetz

Die Planeten bewegen sich auf elliptischen Bahnen, in deren einem

Brennpunkt die Sonne steht.

2. Kepler-Gesetz

Ein von der Sonne zum Planeten gezogener "Fahrstrahl" überstreicht in

gleichen Zeiten gleich große Flächen.

3. Kepler-Gesetz

Die Quadrate der Umlaufzeiten zweier Planeten verhalten sich wie die

dritten Potenzen (Kuben) der großen Bahnhalbachsen.

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Jupiter Aufnahmen mit

einer Videokamera

Calar Alto 2.2m, June 2006

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Jupiter Aufnahmen mit

einer Videokamera

Calar Alto 2.2m, June 2006

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Jupiter Aufnahmen mit

einer Videokamera

Calar Alto 2.2m, June 2006

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Galileische Monde mit einem 200mm Objektiv beobachtet

Orbitradius von Europa ~ 0.7 Mio km

Distanz ~ 5 AU ~ 750 Mio km

Verhältnis ~ 1/1000 ~ 200” (Auge: 60”)

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400 Jahre

später

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400 Jahre

später

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400 Jahre

später

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400 Jahre

später

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400 Jahre

später

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Image credit: Babak Tafreshi & P-M Heden

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HR 8799 (2008)

Orbitradius des Begleiters ‘d’ ~ 24 AU ~ 3.6 x 10 9 km

Distanz ~ 130 Lichtjahre ~ 1.2 x 10 15 km

Verhältnis ~ 3/1000000 ~ 0.6” (Auge 60”, Atmosphäre 1”)

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Fomalhaut in 25 Lichtjahre Entfernung

Paul Kalas et al. 2008

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Definitionen

Ein Himmelskörper ist ein Planet, wenn er …

■… sich auf einer Bahn um die Sonne befindet und

■… über eine ausreichende Masse verfügt, um

durch seine Eigengravitation eine annähernd runde

Form (hydrostatisches Gleichgewicht) zu bilden und

■… die Umgebung seiner Bahn bereinigt hat.

Ein Exoplanet oder Extrasolarer Planet ist ein Planet

außerhalb des Sonnensystems, der einen anderen Stern als

die Sonne umkreist.

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Schlüsselfragen

Was ist die Natur von

Exoplaneten, wie facettenreich sind

Exoplaneten-Systeme?

Wie entstehen überhaupt

Planeten?

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Die Hauptfrage: Sind wir alleine im Universum?

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Übersicht

• Exoplaneten: von der reinen Vorstellung zu echten

Photographien

• Wie entstehen (Exo)Planeten

• Wie werden Exoplaneten gefunden und untersucht

• Ausblick

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Entstehung von Sternen und Planeten auf einem Blick

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Entstehung von Sternen und Planeten auf einem Blick

Cloud

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Entstehung von Sternen und Planeten auf einem Blick

Cloud

Core

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Entstehung von Sternen und Planeten auf einem Blick

Cloud

Core

Protostar

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Entstehung von Sternen und Planeten auf einem Blick

Cloud

Core

Protostar

Disk &

envelope

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Entstehung von Sternen und Planeten auf einem Blick

Cloud

Core

Protostar

Disk &

envelope

Planet formation

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Entstehung von Sternen und Planeten auf einem Blick

Cloud

Pre-stellar

Class 0

Core

Size: 7 decades

Class I

YSO

Protostar

Class II

YSO

Disk &

envelope

Planet formation

Main-sequence star

with planetary system

Density: 21 decades

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Das Standardmodell der Planetenentsehung:

Wie mache ich einen Planeten?

Schritt für Schritt

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Geburtsstätte von Sternen: Molekülwolken

Ophiuchus Giant Molecular Cloud (by Loke Tan)

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Geburtsstätte von Sternen: Molekülwolken

Ophiuchus Giant Molecular Cloud (by Loke Tan)

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Geburtsstätte von Sternen: Molekülwolken

Ophiuchus Giant Molecular Cloud (by Loke Tan)

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Lupus 1

Cha I

Orion A

Jouni Kainulainen, MPIA

Serpens

Lupus V

Lupus 1II

Orion B Sterne und Planeten entstehen in

L1333

Ophiuchus

L1228

Molekülwolken:

ein Forschungsschwerpunkt am

Coalsack

MPIA

Musca

CrA

Taurus

Lupus Complex

L1719

Pipe

L204

Cha

L483

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Kernschein entdeckt: MPIA PR 23.9.2010

Die Molekülwolke CB 244 im Sternbild

Cepheus, rund 650 Lichtjahre entfernt.

Das Licht der Milchstrasse wird von den

Molekülwolken unterschiedlich gestreut.

Optisches Licht wird an submikrometer

großen Teilchen

geblockt.

Infrarot Licht wird an

ca. 1 Mikrometer

großen Teilchen

gestreut.

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Kollaps einer Molekülwolke in einer Computersimulation

Größe der Wolke: 100 AU, Größe des Wolkenkerns nach dem Kollaps: 5 AU

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Kollaps einer Molekülwolke in einer Computersimulation

Größe der Wolke: 100 AU, Größe des Wolkenkerns nach dem Kollaps: 5 AU

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Weitere Zutaten: Staub und Gas

IRAS 04302+2247 ist ein Stern der von einer Staubscheibe

verdeckt wird und den ihn umgebenden Nebel anstrahlt.

Die Staub- und Gasscheibe hat einen Durchmesser von 130

Milliarden km und eine Masse vergleichbar dem solaren Urnebel.

Die hellen “Haarbüschel” deuten auf Staub und Gas hin, die auf die

Scheibe fallen.

Hubble/NICMOS Aufnahme Computer Modell

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Künstlerische

Darstellung

eines Protosterns

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Künstlerische

Darstellung

einer Staubscheibe

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Die ersten 100000 Jahre: von Mikrometer großen

Staubteilchen zu Planetesimalen(10-1000km)

Koagulation: Brownsche

Bewegung, Sedimentation,

Drift, “Sticking”

~ 1 Meter Barriere!

Bildung der Planetesimale:

turbulente Verdichtung und

Gravitation

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Von Planetesimalen zu Planeten innerhalb 1 Mio Jahre

Akkretion der Gasteilchen:

Abkühlung und Kontraktion

Bildung des Kerns:

Gravitation

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Planet ist nach 1-10 Mio Jahren

fertig, kann im System

migrieren und mit anderen Körpern wechselwirken

Nachweisbare Exoplaneten

(Doppler-Methode, Transits,

Photoaufnahmen, ...

Migration und resonante

Wechselwirkung

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Ein paar Daten zu Exoplaneten (1)

PSR B1257+12a+b, die ersten

Exoplaneten (2) wurden um einen

Pulsar im Jahr 1992 von Aleksander

Wolszczan gefunden.

51 Pegasi b ist der erste entdeckte Exoplanet

um einen Stern ähnlich unserer Sonne.

Umlaufzeit 4 Tage. Typ: hot Jupiter auch roaster

genannt (1995). Michel Mayor, Didier Queloz.

Das 55 Cancri System.

Eines der größten

Planetensysteme mit 5

Planeten (2002 - 2007)

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Ein paar Daten zu Exoplaneten (II)

Corot-7b entdeckt im

September 2009; Der erste

Gesteinsplanet.

TW Hydrae, der jüngste

Exoplanet gefunden 2007

(Heidelberg). Umstritten.

Exoplaneten gefunden am

MPIA: >13.

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Ein paar Daten zu Exoplaneten (III)

Herbst 2010:

~500 Exoplaneten entdeckt

http://exoplanet.eu

Sommer 2010:

Dimitar Sasselow kündigt hunderte

Erdähnliche Planeten an:

http://www.ted.com/talks

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Ein paar Daten zu Exoplaneten (III)

Herbst 2010:

~500 Exoplaneten entdeckt

http://exoplanet.eu

Sommer 2010:

Dimitar Sasselow kündigt hunderte

Erdähnliche Planeten an:

http://www.ted.com/talks

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Die bewohnbare Zone

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Die bewohnbare Zone

g f

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Übersicht

• Exoplaneten: von der reinen Vorstellung zu echten

Photographien

• Wie entstehen (Exo)Planeten

• Wie werden Exoplaneten gefunden und untersucht

• Ausblick

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Wie findet man Exoplaneten?

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Instrumente und Methoden um Exoplaneten

zu finden und zu untersuchen

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Instrumente und Methoden um Exoplaneten

zu finden und zu untersuchen

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Instrumente und Methoden um Exoplaneten

zu finden und zu untersuchen

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Instrumente und Methoden um Exoplaneten

zu finden und zu untersuchen

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Instrumente und Methoden um Exoplaneten

zu finden und zu untersuchen

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Direkte Beobachtungsmethoden

• Bildaufnahme mit Adaptiver Optik und ADI

• Bildaufnahme mit Koronografen

• Nulling-Interferometrie

• Hinfliegen

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2008

T Tauri beobachtet mit NACO

Distanz: 460 Lichtjahre

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Adaptive Optik

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Das

Kontrast-

problem

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Angular Differential Imaging (ADI)

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Angular Differential Imaging (ADI)

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August 2009: Begleiter um GJ 758 gefunden

May

ca. 50 Lichtjahre entfernt

August

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August 2009: Begleiter um GJ 758 gefunden

November May

3 σ

ca. 50 Lichtjahre entfernt

August

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Positive Resonanz in den Medien

Volltreffer bei der Planetenjagd:

Astronomen aus dem Max-Planckb

Institut für Astronomie haben einen

lichtschwachen Himmelskörper

c

entdeckt und direkt abgebildet, der

den Stern GJ 758 umläuft. Die

d

geschätzte Masse liegt zwischen 10

und 40 Jupitermassen. Demnach

handelt es sich bei dem Fund

entweder um einen Riesenplaneten

oder um einen Braunen Zwerg, eine

verhinderte Sonne. Eines ist sicher:

Mit einer Temperatur von etwa 330

Grad Celsius ist GJ 758 B der kälteste,

jemals direkt abgebildete Begleiter

eines sonnenähnlichen Sterns

(arXiv.org/abs/0911.1127).

trace of planet c spectra?

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Positive Resonanz in den Medien

Volltreffer bei der Planetenjagd:

Astronomen aus dem Max-Planckb

Institut für Astronomie haben einen

lichtschwachen Himmelskörper

c

entdeckt und direkt abgebildet, der

den Stern GJ 758 umläuft. Die

d

geschätzte Masse liegt zwischen 10

und 40 Jupitermassen. Demnach

handelt es sich bei dem Fund

entweder um einen Riesenplaneten

oder um einen Braunen Zwerg, eine

verhinderte Sonne. Eines ist sicher:

Mit einer Temperatur von etwa 330

Grad Celsius ist GJ 758 B der kälteste,

jemals direkt abgebildete Begleiter

eines sonnenähnlichen Sterns

(arXiv.org/abs/0911.1127).

trace of planet c spectra?

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Positive Resonanz in den Medien

Volltreffer bei der Planetenjagd:

Astronomen aus dem Max-Planckb

Institut für Astronomie haben einen

lichtschwachen Himmelskörper

c

entdeckt und direkt abgebildet, der

den Stern GJ 758 umläuft. Die

d

geschätzte Masse liegt zwischen 10

und 40 Jupitermassen. Demnach

handelt es sich bei dem Fund

entweder um einen Riesenplaneten

oder um einen Braunen Zwerg, eine

verhinderte Sonne. Eines ist sicher:

Mit einer Temperatur von etwa 330

Grad Celsius ist GJ 758 B der kälteste,

jemals direkt abgebildete Begleiter

eines sonnenähnlichen Sterns

(arXiv.org/abs/0911.1127).

trace of planet c spectra?

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Indirekte Beobachtungsmethoden

• Doppler Spektroskopie

(Radialgeschwindigkeitsmethode, RV)

• Transitmethode

• Astrometrie

• Pulsar Zeitmessungen

• Microlensing - Lichtvariationen von

Hintergrundsternen durch ein in der Sichtlinie

liegendes Planetensystem

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Die Doppler

Spektroskopie

or

Radial velocity

(RV)

Technik

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51 Pegasi

Michel Mayor &

Didier Queloz

Nature 378 (1995)

Entfernung:

~50 Lichtjahre

Masse: 0.47 M_jup * sin(i)

Periode: 4.23 Tage

Orbitradius: 0.05 AU

Typ: ROASTER

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Radialgeschwindigkeit K* der Sonne

verursacht durch Jupiter mit P~12 Jahre,

e=0 und i=90 Grad?

Radialgeschwindigkeit K* der

Sonne verursacht durch die Erde?

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Radialgeschwindigkeit K* der Sonne ~12.4 m/s ~ 45 km/h

verursacht durch Jupiter mit P~12 Jahre,

e=0 und i=90 Grad?

Radialgeschwindigkeit K* der

Sonne verursacht durch die Erde?

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Radialgeschwindigkeit K* der Sonne ~12.4 m/s ~ 45 km/h

verursacht durch Jupiter mit P~12 Jahre,

e=0 und i=90 Grad?

~0.09 m/s ~ 0.3 km/h

Radialgeschwindigkeit K* der

Sonne verursacht durch die Erde?

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Indirekte Beobachtungsmethoden

• Doppler Spektroskopie

(Radialgeschwindigkeitsmethode, RV)

• Transitmethode

• Astrometrie

• Pulsar Zeitmessungen

• Microlensing - Lichtvariationen von

Hintergrundsternen durch ein in der Sichtlinie

liegendes Planetensystem

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Transitbeobachtungen

Helligkeitsvariationen aufgrund der Bedeckung

des Sterns durch z.B. einen Planeten

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Messwerte die aus

Transitbeobachtungen

gewonnen werden

Transit Messwerte:

Transit Tiefe dF = (Rp/R*) 2 ->

Radius Rp

(dF ~ 1% Jupiter/Sonne)

Periode P = (4π 2 a 3 /GM*) 1/2 ->

Orbit Radius a

Transit Dauer (tflat/tT) 2 =

([1-Rp/R*] 2 -[(a/R*) cos i] 2 )

([1+Rp/R*] 2 -[(a/R*) cos i] 2 ) ->

Inklinationswinkel i (wenn R*,

M* bekannt sind)

i+RV -> Masse und Dichte des

Planeten

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Sekundäre Transit Spektroskopie

Isolierung des Spektrums eines Planeten

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Wasser Signatur

Spektrum der Tagesseite von HD 189733b

Hot Jupiter in 63 Lichtjahren Entfernung; Grillmair 2008

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Ausblick

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Forschungsprojekte am MPIA

• HAT-South (photometry, transits) * Namibia, Australia,

Chile

• Pan-Starrs (photometry) * Maui

• SERAM (doppler spectroscopy, RV) * La Silla

• ESPRI (astrometry, 10-20 µarcsec level) * Paranal

• SPHERE (imaging, spectroscopy, high contrast) * Paranal

• GRAVITY (astrometry, 10 µarcsec level) * Paranal

• SEEDS (high contrast imaging) * Mauna Kea

• METIS (imaging, spectroscopy, high contrast) * Armazones

Weitere Infos unter: www.MPIA.de

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Es muss nicht immer EXO sein Photo credit: Gerhard Hüdepohl

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Ende