Die Jagd nach fremden Welten

Info: diese Präsentation beinhaltet sowohl reale
Himmelsaufnahmen als auch künstlerische Darstellungen

Die Jagd nach
fremden Welten
Image Credit Yuri Beletsky
Stefan Hippler
Max-Planck-Institut
für Astronomie,
Heidelberg
Robert-Mayer-Sternwarte
Heilbronn November 2010

Übersicht
• Exoplaneten: von der reinen Vorstellung zu echten
Photographien
• Wie entstehen (Exo)Planeten
• Wie werden Exoplaneten gefunden und untersucht
• Ausblick

Frühe Aufzeichnungen vor ca. 2300 Jahren
Hauptwerk: 37 Bücher Peri physeos “Über die Natur”

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

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

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)

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.

Jupiter Aufnahmen mit
einer Videokamera
Calar Alto 2.2m, June 2006

Jupiter Aufnahmen mit
einer Videokamera
Calar Alto 2.2m, June 2006

Jupiter Aufnahmen mit
einer Videokamera
Calar Alto 2.2m, June 2006

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”)

400 Jahre
später

400 Jahre
später

400 Jahre
später

400 Jahre
später

400 Jahre
später

Image credit: Babak Tafreshi & P-M Heden

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”)

Fomalhaut in 25 Lichtjahre Entfernung
Paul Kalas et al. 2008

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.

Schlüsselfragen
Was ist die Natur von
Exoplaneten, wie facettenreich sind
Exoplaneten-Systeme?
Wie entstehen überhaupt
Planeten?

Die Hauptfrage: Sind wir alleine im Universum?

Übersicht
• Exoplaneten: von der reinen Vorstellung zu echten
Photographien
• Wie entstehen (Exo)Planeten
• Wie werden Exoplaneten gefunden und untersucht
• Ausblick

Entstehung von Sternen und Planeten auf einem Blick

Entstehung von Sternen und Planeten auf einem Blick
Cloud

Entstehung von Sternen und Planeten auf einem Blick
Cloud
Core

Entstehung von Sternen und Planeten auf einem Blick
Cloud
Core
Protostar

Entstehung von Sternen und Planeten auf einem Blick
Cloud
Core
Protostar
Disk &
envelope

Entstehung von Sternen und Planeten auf einem Blick
Cloud
Core
Protostar
Disk &
envelope
Planet formation

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

Das Standardmodell der Planetenentsehung:
Wie mache ich einen Planeten?
Schritt für Schritt

Geburtsstätte von Sternen: Molekülwolken
Ophiuchus Giant Molecular Cloud (by Loke Tan)

Geburtsstätte von Sternen: Molekülwolken
Ophiuchus Giant Molecular Cloud (by Loke Tan)

Geburtsstätte von Sternen: Molekülwolken
Ophiuchus Giant Molecular Cloud (by Loke Tan)

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

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.

Kollaps einer Molekülwolke in einer Computersimulation
Größe der Wolke: 100 AU, Größe des Wolkenkerns nach dem Kollaps: 5 AU

Kollaps einer Molekülwolke in einer Computersimulation
Größe der Wolke: 100 AU, Größe des Wolkenkerns nach dem Kollaps: 5 AU

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

Künstlerische
Darstellung
eines Protosterns

Künstlerische
Darstellung
einer Staubscheibe

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

Von Planetesimalen zu Planeten innerhalb 1 Mio Jahre
Akkretion der Gasteilchen:
Abkühlung und Kontraktion
Bildung des Kerns:
Gravitation

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

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)

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.

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

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

Die bewohnbare Zone

Die bewohnbare Zone
g f

Übersicht
• Exoplaneten: von der reinen Vorstellung zu echten
Photographien
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• Wie werden Exoplaneten gefunden und untersucht
• Ausblick

Wie findet man Exoplaneten?

Instrumente und Methoden um Exoplaneten
zu finden und zu untersuchen

Instrumente und Methoden um Exoplaneten
zu finden und zu untersuchen

Instrumente und Methoden um Exoplaneten
zu finden und zu untersuchen

Instrumente und Methoden um Exoplaneten
zu finden und zu untersuchen

Instrumente und Methoden um Exoplaneten
zu finden und zu untersuchen

Direkte Beobachtungsmethoden
• Bildaufnahme mit Adaptiver Optik und ADI
• Bildaufnahme mit Koronografen
• Nulling-Interferometrie
• Hinfliegen

2008
T Tauri beobachtet mit NACO
Distanz: 460 Lichtjahre

Adaptive Optik

Das
Kontrast-
problem

Angular Differential Imaging (ADI)

Angular Differential Imaging (ADI)

August 2009: Begleiter um GJ 758 gefunden
May
ca. 50 Lichtjahre entfernt
August

August 2009: Begleiter um GJ 758 gefunden
November May
3 σ
ca. 50 Lichtjahre entfernt
August

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?

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?

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?

Indirekte Beobachtungsmethoden
• Doppler Spektroskopie
(Radialgeschwindigkeitsmethode, RV)
• Transitmethode
• Astrometrie
• Pulsar Zeitmessungen
• Microlensing - Lichtvariationen von
Hintergrundsternen durch ein in der Sichtlinie
liegendes Planetensystem

Die Doppler
Spektroskopie
or
Radial velocity
(RV)
Technik

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

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?

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?

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?

Indirekte Beobachtungsmethoden
• Doppler Spektroskopie
(Radialgeschwindigkeitsmethode, RV)
• Transitmethode
• Astrometrie
• Pulsar Zeitmessungen
• Microlensing - Lichtvariationen von
Hintergrundsternen durch ein in der Sichtlinie
liegendes Planetensystem

Transitbeobachtungen
Helligkeitsvariationen aufgrund der Bedeckung
des Sterns durch z.B. einen Planeten

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

Sekundäre Transit Spektroskopie
Isolierung des Spektrums eines Planeten

Wasser Signatur
Spektrum der Tagesseite von HD 189733b
Hot Jupiter in 63 Lichtjahren Entfernung; Grillmair 2008

Ausblick

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

Es muss nicht immer EXO sein Photo credit: Gerhard Hüdepohl

Ende