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

Transkript

1 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

2 100 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, , Merkurius

3 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 / Pluto 15 1 / teleskop + fotografisk film 20 1 / Rymdteleskopet (HST) 30 1 / solen på 30 ljusårs avstånd 4 1 / 40 Jupiter på 30 ljusårs avstånd 25 1 / Jorden på 30 ljusårs avstånd 27 1 /

4 Direkta metoder: avbildning av planeten har redan gjorts för ett 20-tal stora planeter långt från stjärnan (okt 2011) ligger 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)

5 Direkt avbildning: Exemplet HR 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 AU från stjärnan (0.6-2 bågsekunder) upptäcktes HR8799e ännu närmare stjärnan. Bilder från Marois et al. (Science, 28 Nov 2008) 5

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

7 Radialhastighetsmetoden (accelerometri) laboratoriespektrum (lampa) stjärnspektrum

8 Radialhastighetsmetoden (accelerometri) Effekten överdriven ca ggr!

9 Dopplereffekten ljudets hastighet = 340 m/s ljudkälla i vila

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

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

12 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)

13 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

14 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).

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

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

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

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

19 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)

20 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)

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

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

23 En planetpassage observerad från marken och med Kepler

24 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

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

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

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

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

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

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

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

32 Sammanfattning Hittills (18 okt 2011) har 693 exoplaneter upptäckts (se The Extrasolar Planets Encyclopaedia - 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!