Översiktskurs i astronomi Lektion 5: Planetsystem Upplä Upplägg Solsystemets uppkomst En stjä stjärna föds Planetesimaler Inre och yttre planeter och asteroider Kometer Andra planetsystem Metoder Vad för att upptä upptäcka andra planetsystem vi upptä upptäckt hittills Liv på andra planeter Vad kan vi egentligen säga om det? det? Solsystemets uppkomst I Solsystemet Gravitationen bö började dra samman ett interstellä interstellärt moln fö för ca 4,6 miljarder år sedan. Rörelsemä relsemängdsmomentets bevarande få får molnet att plattas av De inre (jordlika) planeterna De yttre planeterna (gasjättar) Solsystemets uppkomst II Proplyder En central fö förtä rtätning, protosolen, protosolen, bildas Gravitationell energi omvandlades till termisk energi.temperaturen i centrum steg till flera tusen grader Kelvin Efter ca 10 miljoner år steg temperaturen till ett par miljoner Kelvin spontana fusionsprocesser En stjä stjärna tä tänds Överblivet material runt stjä stjärnan bildar protoplanetä protoplanetär skiva (proplyd (proplyd)) 1
I täta t ta omgivningar blir det mer komplicerat Kondensationstemperatur Tätheten och trycket var lågt l i den protoplanetära ra skivan (proplyden( proplyden). Vid tillräckligt lågt l tryck kan ett ämne inte existera i flytande form. Övergången från n gasform till fast form avgörs av ämnets kondensationstemperatur. För r vatten, metan och ammoniak är r den 100 300 K. Mineraler (t.ex. kisel & järn) j ligger påp 1300 1600 1600 K. Ursprungsmolnets temperatur var ca 50 K alla ämnen utom väte, v kväve, ve, helium och andra ädelgaser var i fast form. I centrum var temperaturen ca 2 000 K. Fördelningen av grundämnen i planetsystemet I centrala delarna kunde endast ämnen med höga h kondensationstemperaturer förbli f i fast form, alla andra förångades. f I de yttre delarna kunde både b iskorn och stoftkorn överleva. Planetesimaler Efter ett par miljoner år r hade stoftkornen slagit sig samman i det inre och bildat kilometerstora objekt, planetesimaler i både b yttre och inre solsystemet. Dessa kolliderade och byggde upp ännu större kroppar. (AE) De inre (jordlika) planeterna bildas Efter ca 100 miljoner år r hade fyra eller fem inre planeter skapats. Det som skulle bli jorden kolliderade med en av de andra. Det losslitna materialet blev sannolikt vår v måne. Från planetesimaler till planeter Jorden Månen 2
De yttre planeterna (gasj ättarna) (gasjä ttarna) bildas I de yttre delarna var temperaturen mycket lä lägre. Mer material fanns tillgä tillgänglig som kunde bilda planetesimaler mer massiva planeter Dessa drog lä lättare till sig väte och helium. De har därfö rför lä lägre densitet än de inre planeterna. Till slut fanns fyra yttre planeter som mestadels bestod av dessa ämnen. Planeter och månar är inte svartkroppar! svartkroppar! Färgerna har att göra med ytsammansä ytsammansättning och reflektionsfö reflektionsförmå rmåga, ga, inte med temperatur. temperatur. Densitet (1000 kg/m3) Planeternas färger Mars Asteroider och kometer Jupitermånen Io Asteroidernas uppkomst De starka gravitationella krafterna frå från Jupiter skapade asteroiderna och kometerna genom att planetesimalerna kolliderade. Kollisioner är troligen orsaken till huvudbä huvudbältsltsasteroiderna mellan Mars och Jupiter. Nå Någon stö större planet kunde inte bildas dä där. Asteroidbälte Asteroid (enkelt uttryckt: stenklump) Komet (enkelt uttryckt: snö/isklump) Kometernas uppkomst Kometerna bildades bortom Jupiter och må många stö stördes bort frå från solens omgivning och finns nu Oorts kometmoln ca 100 000 AE frå från solen. Andra planetsystem Planetbildning kring stjä stjärnan β Pictoris. Pictoris. Stjä Stjärnans ljus har blockerats med speciell teknik. 3
Detektionsmetoder Direkt metod: Planetdetektion genom blockering av stjä stjärnans ljus Direkt observation Problematiskt, eftersom ljuset från en stjärna är ohyggligt mycket starkare än ljuset från dess planeter Måste blockera ljuset från stjärnan för att se dem Några indirekta metoder: Astrometriska metoden Spektroskopiska metoden Fotometriska metoden Mikrolinseffekter Kan i nulä nuläget lyckas om: Planeten är stor Planeten ligger på på stort avstå avstånd frå från sin moderstjä moderstjärna Planeten är ung och het (utsä (utsänder infrarö infraröd strå strålning) Astrometriska metoden I Astrometriska metoden: Stjä Stjärnan och planeten rö rör sig kring systemets gemensamma tyngdpunkt (GM). Metoden bygger på på att mä mäta hur mycket stjä stjärnan fö förflyttar sig i fö förhå rhållande till GM, enligt: r = 955 Mp a M* D r*= avstå avståndet frå från GM i mikrobå mikrobågsekunder M*, Mp= stjä stjärnans och planetens massa (i Jupitermassor) a= planetbanans medelavstå medelavstånd i AE D= stjä stjärnans avstå avstånd frå från oss i pc Astrometriska metoden II I figuren har stjä stjärnan en massa av 1 M och ett avstå avstånd av 1 pc frå från oss. Planeten befinner på på ett avstå avstånd av 1 AE frå från stjä stjärnan. 1000 Stjärnans avstånd I mikrobågsekunder 0 0 0,5 1 Planetens massa i jupitermassor 4
Spektroskopiska metoden I Spektroskopiska metoden: Rörelsen kring GM orsakar också ändringar i radial- hastigheten (genom Dopplereffekten). Hastigheten beror av planetmassan,stjärnmassan och planetens avstånd från stjärnan. Spektroskopiska metoden II Fotometriska metoden Fotometriska metoden: Om planeten passerar framför r stjärnan, förmf rmörkasrkas stjärnan. Man kan bestämma den s.k. transittiden ur magnitudförändringen. ndringen. Ljuskurvan för f r HD 209458 Fotometriska metoden ger många kandidater, men ljusförändringar kan även bero på annat än planeter Uppföljning med andra metoder krävs Gravitationslinseffekter I Ljussvag förgrundsstjärna som rör sig genom synlinjen Gravitationslinseffekter II Om förgrundsstjärnan åtföljs av en planeter får man ytterligare toppar i ljuskurvan Observatör Bakgrundsstjärna Ljusstyrka Tid Med linseffekt Utan linseffekt Effekten kallas microlensing (en av många möjliga gravitationslinseffekter) 5
Detektionsstatistik (Oktober 2008) Totalt antal: : 312 exoplaneter Direkt detektion: : 6 planeter Spektroskopiska metoden: : 293 planeter 251 system (221 1 1,21 2, 2, 7 3, 7 1 4, 1 1 5) 1 51 enskilda planeter också upptäckta med fotometriska metoden Gravitationslinseffekter: : 8 planeter Övriga metoder: : 5 planeter Egenskaper hos detekterade planetsystem Ännu inget system som riktigt liknar vårt! v Ofta jätteplaneter j som ligger mycket nära n sina moderstjärnor rnor (s.k. hot Jupiters ) Astrometriska metoden har ännu inte lett till några detektioner, men anses ändå lovande inför framtiden Planetsystemet υ Andromedae Liv påp andra planeter I Ett stort antal andra planetsystem är r kända. k Men finns där d r liv? Grundföruts rutsättning ttning för f r liv som vi känner k det: Vatten bör förekomma i flytande form, d.v.s. temperaturen på planetytan bör vara högre än 0 o C och lägre än 100 o C. Mars Odyssey & Phoenix Vatten funnet på Mars! Liv påp andra planeter II Temperaturen påp en planet beror främst på: p T eff = effektivtemperaturen för f r stjärnan a = medelavståndet mellan stjärnan och planeten A = albedot (planetens reflektionsförmåga,, A= 0 ger ingen reflektion, A=1 ger 100% reflektion), R * = stjärnans radie i km Planetens rotationsperiod 6
Liv påp andra planeter III Gliese 581c Upptäcktes 2007 P.g.a. växthuseffekten v är r T ca. 30 o C högre påp jorden än vad ekvationen anger. För r vårt v solsystem blir den beboeliga zonen, ekosfären ren: 0,7< a < 1,6 AE Mars ligger alltså mestadels inom ekosfären. Trots ett kort avstånd till sin moderstjärna (0.07 AE) kan Gliese 581 c ha flytande vatten (yttemperatur 0-40 C), eftesom dess moderstjärna är svalare än vår sol. Ett år på Gliese 581 c är bara 13 jorddygn långt. Drakes ekvation Drakes ekvation ger en uppskattning av antalet civilisationer,n, i vår v r galax Vintergatan: N=R fp ne fl fj fc L Voyagersonden R * = stjärnbildningshastigheten av lämpliga l stjärnor (antal/år) f p = andelen stjärnor som har planeter n e = antalet jordliknande planeter i varje planetsystem f l = andelen av dessa där d r liv uppstår f j = den andel där d r intelligent liv uppstår f c = andelen som utvecklat teknisk civilisation L = livslängden för f r en civilisation med möjlighet m att kommunicera. Uppskattningsvis är r N ~ L. 7