"se" det osynliga. Om indirekta metoder att upptäcka exoplaneter

ASTA02 - Lennart Lindegren - 19 okt 2011
Konsten att "se" det osynliga.
Om indirekta metoder att upptäcka exoplaneter
De allra flesta hittills funna exoplaneter har upptäckts med
indirekta metoder.
• Vad är en planet?
• Direkta och indirekta metoder
• De viktigaste indirekta metoderna:
– radialhastigheter
– astrometri
– förmörkelser (planetpassage/transit)
– mikrolinsning

100
de tyngsta stjärnorna
Vad är en planet?
10
massa i förhållande till solen
1
0,1
0,01
0,001
0,0001
0,00001
solen
de lättaste stjärnorna
Jupiter
Jorden
solliknande stjärnor
bruna dvärgar (stjärnor utan egen energiproduktion)
jätteplaneter (gas, is) - obeboeliga (?),
men kan ha beboeliga månar
jordliknande, beboeliga (?) planeter (metall, sten)
PLANETER STJÄRNOR
(bildas genom (bildas ur den
ansamling i skivan) centrala förtätningen)
0,000001
0,0000001
Merkurius

Kan man se planeter i ett annat solystem?
objekt magnitud relativ ljusstyrka
de ljusaste stjärnorna 0 1
stjärnorna i Karlavagnen 2 1 / 6
svagaste stjärnorna synliga för blotta ögat 6 1 / 250
svagaset stjärnorna synliga med fältkikare 10 1 / 10.000
Pluto 15 1 / 1.000.000
teleskop + fotografisk film 20 1 / 100.000.000
Rymdteleskopet (HST) 30 1 / 1.000.000.000.000
solen på 30 ljusårs avstånd 4 1 / 40
Jupiter på 30 ljusårs avstånd 25 1 / 10.000.000.000
Jorden på 30 ljusårs avstånd 27 1 / 60.000.000.000

Direkta metoder:
• avbildning av planeten
– har redan gjorts för ett 20-tal stora planeter långt från stjärnan (okt 2011)
– ligger 10-20 år framåt i tiden för intressanta (dvs jordliknande) objekt
Indirekta metoder:
• dynamiska metoder (planetens gravitationskraft påverkar stjärnan)
– variation i radialhastigheten (accelerometri)
– variation i positionen (astrometri)
• förmörkelsemetoden (planeten förmörkar stjärnan - passage l. transit)
• mikrolinsning (planetens gravitationskraft påverkar ljuset)
– variation i ljusstyrkan (fotometri)
– variation i positionen (astrometri) - tas inte upp här (alltför osannolik)

Direkt avbildning:
Exemplet HR8799
2008 upptäcktes 3 planeter
(b, c, d) kring stjärnan
HR8799 i bilder tagna i
infrarött ljus med Keckoch
Gemini-teleskopen
(Hawaii).
HR8799 är en ganska
ung stjärna (60 milj år),
spektraltyp A5,
130 ljusår från solen.
Planeterna ligger ca
30 - 100 AU från stjärnan
(0.6 - 2 bågsekunder).
2010 upptäcktes HR8799e
ännu närmare stjärnan.
Bilder från Marois et al.
(Science, 28 Nov 2008)
5

Dynamiska metoder
Planetens gravitationskraft påverkar stjärnan
(stjärnan och planeten rör sig kring den gemensamma tyngdpunkten)
(Minns ni Koji Murofushi?)

Radialhastighetsmetoden (accelerometri)
laboratoriespektrum (lampa)
stjärnspektrum

Radialhastighetsmetoden (accelerometri)
Effekten överdriven
ca 100.000 ggr!

Dopplereffekten
ljudets
hastighet
= 340 m/s
ljudkälla
i vila

Dopplereffekten
140 km/h = 40 m/s
ljudkälla
i rörelse

Positionsmetoden (astrometri)
Solens bana
år 1960 – 2025
i förhållande till
solsystemets
tyngdpunkt
300.000 km =
0,0002 bågsekunder
på 30 ljusårs avstånd

Astrometri = mätning av stjärnors positioner och ändringarna i dessa
Positionsändringarna beror på
• stjärnans egenrörelse (i förhållande till solen)
• parallax (återspegling av jordens rörelse kring solen)
en stjärnas skenbara
rörelse på himlen
under 5 år
parallaxen (p) är ett mått på stjärnans
avstånd (a):
(1 parsek = 3,26 ljusår)

Astrometri = mätning av stjärnors positioner och ändringarna i dessa
Positionsändringarna beror på
• stjärnans egenrörelse (i förhållande till solen)
• parallax (återspegling av jordens rörelse kring solen)
• ev. störningar från annan kropp (planet) i bana kring stjärnan
en stjärnas skenbara
rörelse på himlen
under 5 år
stjärna
tyngdpunkt
osynlig
planet

Parallax: Alfa Centauri är en av de allra närmaste stjärnorna. Dess
avstånd från solen är 4,3 ljusår. Dess parallax är 0,76 bågsekunder.
Formel: (avstånd i ljusår) = 3,26 / (parallax i bågsekunder).

Hipparcos-satelliten (1989-1993)
mätte ytterst exakta positioner mm för mer än 100.000 stjärnor
Hittade inga planeter (ej avsikten!) men mätte stjärnornas avstånd
(den första genommönstringen av himlen med parallaxmetoden)

Gaia-satelliten byggs av den europeiska rymdorganisationen (ESA)
för uppskjutning 2013.
Gaia ska observera 1 miljard stjärnor:
exakta positioner, parallaxer och egenrörelser (0.00001 bågsekund).
Kommer att upptäcka tusentals Jupiter-stora planeter (systematisk
genomsökning ger värdefull statistik)

Förmörkelsemetoden (passage eller transit)
Stjärnans ljusstyrka
minskar något när
planeten passerar
framför stjärnan
Exempel HD 209548
(redan känd genom
radialhastighetsmetoden)

Jupiter-stor planet upptäckt 2004 med förmörkelsemetoden (TrES-1)
- en av ca 200 som hittills upptäckt med denna metod

Förmörkelsemetoden
Den relativa ändringen av stjärnans intensitet
är lika med förhållandet mellan ytorna (Y planet / Y stjärna ):
Jupiter:
Jorden eller Venus:
täcker 1% av solens yta
täcker 0,01% av solens yta
För att upptäcka riktigt små variationer i ljusstyrkan (dvs små planeter)
måste man observera från satelliter (ovanför jordatmosfären)

WASP:
Wide Angle Search
for Planets
Två identiska instrument
(La Palma, Sydafrika)
vardera med 8 kameror
med mycket stort synfält.
Fotometrisk noggrannhet
omkring 1%.
Har hittills upptäckt ett 60-tal
exoplaneter
(hot Jupiters)

CoRoT
sändes upp
27 dec 2006
(Frankrike)
27 cm
teleskop
Söker efter
oscillationer
och planetförmörkelser
Har upptäckt
ett 20-tal
planeter
(okt 2011)

Kepler (95 cm teleskop) sköts upp av NASA den 6 mars 2009
Har antagligen redan
upptäckt 100-tals planeter
(endast ca 25 offentliggjorda)

En planetpassage observerad från marken
och med Kepler

Gravitationslinser
Makrolinsning
(ger multipla
bilder av ett
bakgrundsobjekt)
Mikrolinsning
(förstärker
ljusstyrkan av
ett bakgrundsobjekt)
stjärna 1
observatör
stjärna 2
(gravitationslins)
vinkeln är alltför liten för att man
ska se multipla bilder av stjärna 1

Gravitationslinser: Makrolinsning
Multipla bilder av en bakgrundsgalax (linsen = mörk materia i galaxhopen)

Gravitationslinser: Mikrolinsning
fördubbling
av stjärnans
ljusstyrka
OGLE – The Optical Gravitational Lensing Experiment
(ca 200 miljoner stjärnor monitoreras) m.fl. projekt

Mikrolinsning orsakad av en förgrundsstjärna + planet
(OGLE-2005-BLG-390).
Planetens massa uppskattas till ca 5,5 (2 - 10) gånger jordens.

Mikrolinsning orsakad av en förgrundsstjärna + två planeter
liknande Jupiter och Saturnus (OGLE-2006-BLG-109).
Publicerat 14 februari 2008 (Gaudi, Bennett, Udalski et al.)

Samtliga funna exoplaneter (okt 2009: 374 st)
jämförda med solsystemets planeter
100
"den beboeliga zonen"
(kan ha flytande vatten)
Planetmassa (Jupitermassor)
10
1
0.1
Jupiter
Saturnus
Neptunus
Uranus
"Jord-liknande"
0.01
planeter
mikrolinsning
(fasta, med
Earth
atmosfär)
pulsarplaneter
Venus
Mars
0.001
0.01 0.1 1 10 100 1000
Medelavstånd från stjärnan (AE)

Samtliga funna exoplaneter (okt 2011: 693 st)
jämförda med solsystemets planeter
100
"den beboeliga zonen"
(kan ha flytande vatten)
Planetmassa (Jupitermassor)
10
1
0.1
Jupiter
Saturnus
Neptunus
Uranus
0.01
Earth
Venus
Mars
0.001
0.01 0.1 1 10 100 1000
Medelavstånd från stjärnan (AE)
"Jord-liknande"
planeter
(fasta, med
atmosfär)

Exoplaneter funna med transitmetoden (okt 2011)
jämförda med solsystemets planeter
100
Transit
"den beboeliga zonen"
(kan ha flytande vatten)
Imaging
Planetmassa (Jupitermassor)
10
1
0.1
Jupiter
Saturnus
Neptunus
Uranus
0.01
Earth
Venus
Mars
0.001
0.01 0.1 1 10 100 1000
Medelavstånd från stjärnan (AE)
"Jord-liknande"
planeter
(fasta, med
atmosfär)

Sammanfattning
Hittills (18 okt 2011) har 693 exoplaneter upptäckts
(se The Extrasolar Planets Encyclopaedia http://exoplanet.eu/):
- den stora majoriteten (ca 600) genom radialhastighetsmetoden
(oftast tunga planeter nära stjärnan)
- ett 170-tal har upptäckts genom förmörkelsemetoden (en del av dem
även med radialhastigheter)
- 13 planeter har upptäckts genom mikrolinsning
(varav den minsta ca 3 ggr jordens massa, och ett J+S-system)
- 25 planeter har hittats genom avbildning (stora, långt från stjärnan)
- i framtiden väntas många fler upptäckter med hjälp av satelliter:
* förmörkelsemetoden (Kepler, ...)
* astrometriska metoden (Gaia)
... men att hitta planeter av jordens storlek förblir mycket svårt!