Orienteringskurs Astrobiologi Del 9
Tidiga spekulationer om exoplaneter Epikur: Det finns oändliga antal världar lika vår jord. Vi måste tro att i alla väldar finns det levande varelser och planeter och andra saker som finns i världen Giordano Bruno: Det finns otaliga stjärnor och otaliga jordar som rotera kring deras solar i exakt samma sätt som de 7 (!) planeter i vårt system. Dessa otaliga världar är inte sämre och inte mindre bebodda än vår jord Epikur Giordano Bruno Campo dei Fiori
Tidiga spekulationer Huygens: Varför skulle inte en av dessa stjärnor har en så stor skara av planeter som vår. Det finns starka skäl att den skulle. Kapten W. S. Jacob: Avvikelser i omloppstider av 70 Ophiuchi tyder på planet (handlade faktiskt om dubbelstjärna) Problem: Bruna dvärgar och andra mörka objekt ofta misstänktes som exoplaneter. Madras Observatory
Vad skiljer exoplaneter från bruna dvärgar? Definition av IAU för exoplaneter Objekt med en massa mindre än nedre gränsen för termonuklear fusion av deuterium (M = 13 Jupitermassor vid solmetallicitet, T ~ 10 6 K ) som kretsar kring stjärnor eller stjärnrester. Objekt med en högre massor klassificeras minst som bruna dvärgar Objekt som flyger fritt i stjärnhopar under deuteriumfusionsmassa betecknas som sub-bruna dvärgar (sub brown dwarfs) Planeterna måste uppfylla minimikrav som gäller i solsystemet
Första upptäckter 1988: Campbell, Walker & Young rapporterar stellar companion (medföljare till stjärna) i g Cephei och c 1 Orionis A) massa för liten för bruna dvärgar 1992: Alexandr Wolszczan and Dale Frail upptäcker de första enhälligt bekräftade exoplaneter 2002: Jupiter-lik planet bekräftat i g Cephei Men: Pulsarer är inte särskilt livsvänliga
Första upptäckter 1995: Michel Mayor & Didier Queloz upptäcker första exoplaneten kring en huvudsekvensstjärna (51 Peg) Observatoire Haute Provence
Namn av exoplaneter I dag kring 1000 exoplaneter upptäckta, nomenklatur nödvändig 2 delar (versaler ockh icke-versaler) Första upptäckta stjärnan i ett stjärnsystem får A (versaler i parentes), nästa B, C och så vidare. Varje av dessa stjärnor får dessutom en liten a. När solen blir upptäckt av utomjordingar, blir namnet, Sol (A)a Exoplaneter som kretsar kring en eller flera stjärnor, får namnet av stjärnan/-stjärnor de kretsar kring i parentes och numereras i följd av upptäckten. Jupiter skulle sedan troligen heter Sol (A)b, Saturn (A)c Om stjärnan fråga är otvetydigt (bara en stjärna i systemet) kan versaler försummas, t. ex.ska Jupiter vara Sol b, solen Sol a
Metoder att upptäcka exoplaneter: Radial hastighet Planeter och stjärnor kretsar kring massmedelpunkten av stjärnsystemet, inte mitten av stjärnan Liten rotation av stjärnan Blåskift vid rörelse till jorden, rödskift vid motsatt rörelse Flesta exoplaneter detekteras på detta vis
Metoder att upptäcka exoplaneter: Radial hastighet Mayor & Queloz 1995
Vid flera exoplaneter i et stjärnsystem Anpassning till flera radialhastighetskurvor nödvändiga. Vid Gliese 581 6 exoplaneter upptäckta
Metoder att upptäcka exoplaneter: Pulsar timing Liknar i princip radialhastighetsmetoden Pulsarer har mycket väldefinierad radiofrekvens (1.4 ms till 8 s) Avståndet mellan signaler ökar eller minskar med relativ hastighet Användes av Wolszczan 1994 för exoplanetupptäckt funkar tyvärr bara för pulsarer (ointressanta för liv)
Metoder att upptäcka exoplaneter: Transitmetoden Planeten reducerar ljusintensiteten från stjärnan när den passerar framför den (primär förmörkelse) kan uppnå till mer än 1.8 % kräver att solen ligger i eller nära banytan av planeten (trolighet minskar med avstånd) flera planeter kan upptäcks på detta vis Katalog av eklipser finns på nätet, även 0.5 m teleskop kan används för att iaktta transiter
Metoder att upptäcka exoplaneter: Transitmetoden Ljusintensiteten minskar också när planeten passerar bakom den (sekundär förmörkelse) Möjligt att utforskar ljuset från planeten genom att observera först när planeten är inte framför stjärnan (ljus från planet + stjärna) och jämföra den med observation av sekundär förmörkelse Kunde tillåta slutsatser om exoplaneters atmosfär FINESSE missionen (JPL, California planerad)
FINESSE koncept Problem: Minst 10 4 faktor skillnad mellan planetens och stjärnans ljusintensitet kräver detektorer med stor dynamiskt område
Metoder att upptäcka exoplaneter: Microlensing Relativitetsteorin fastställar at tyngdkraften böjer rymden om jorden och 2 stjärnor ligger exakt på en linje, avböjs ljuset kring den närmare stjärnan bakomliggande stjärna ses som en halo
Metoder att upptäcka exoplaneter: Microlensing Microlensing ökar också intensiteten från bakomliggande stjärnor Exoplaneter påverkar mikrolensingsignaler (mindre lensing från planeten också) Planeter som har en bana som är lodrätt till observationsriktningen kan upptäcks
Variation av transittiden och transitlängden Andra planeter påverkar transittiden och transitlängden genom - förskutning av periastron - förändring av alla banparameter (excentricitet, omloppstid) mycket känslig metod kräver närvaro av stora planeter med korta omloppstider rörelsen av stjärnan kring massmedelpunkten förskjuter transittiden bara om stjärnan är exakt före eller bakom massmedelpunkten är transiten punktlig
Modeller av transittidvariation Kan anpassas ganska noggrant till flerplanetsystem oftast dåligt signal- brus förhållande Transittidvariation av Gliese 876 b Transittidvariation av planeter i i vårt solsystem sett utifrån
Metoder för att upptäcka exoplaneter: Direct imaging 2004 första planet kring en brun dvärg upptäckt Funkade långt bara för mycket stora planeter med mycket starka teleskop (Gemini) sedan 2010 teleskop på JPL som klarar bättre upplösning möjligtvis kan interferometri utnyttjas att subtrahera bort stjärnljus starka interferometrar (ALMA, LOFAR) kunde användas för detta ändamål
Inbland är direkt upptäckt möjlig efter blockering av stjärnans ljus (vid Fomalhaut finns det troligen en super-jupiter mer än 100 AU bort från stjärnan, upptäckten senare ifrågasatts)
Andra metoder Astrometri: Exakt bestämmning av position av en stjärna över tiden (används redan för dubbelstjärnsystem sedan länge Dubbelstjärnförmörkelse: I ett dubbelstjärnsystem kan förmörkelser iakttas när jorden ligger i dess rotationsyta. Planeter påverkar förmörkelselängden och tiden genom deras gravitationsfält (kan används även för upptäckten av exomånar) Reflektion: Planeter går genom faser beroende av orbitalpositionen (som månen och Venus). Skillnader i ljusintensiteten kan detekteras Exoplanetatmosfärer kan - ändra stjärnljusets polarisation - leder till norrskenemission (troligen för svag i synligt ljus, men kanske detekterbar med radioastronomi)
Planetatmosfärer Första obekräftate detektion av metan och vatten i en exoplanetatmosfär (Swain, 2009) Upptäckten har senare ifrågasetts (Mumma 2010) First tentative observation of methane in HD 189733b
Antal av exoplaneter upptäckta med olika metoder
Antal av exoplaneter upptäckta med olika metoder Transit Radialhastighet Microlensing Timing Direkt observation
Exoplaneter i bebobar zon?
Gliese 581 g - en bebobar planet? Detekterat av Lick-Carnegie Exoplanet survey
Gliese 581 g - en bebobar planet? Omlopsstid 37 dagar, omloppsbana 0.146 AU från stjärnan Massa 3.1-4.3 jordmassor kunde ha atmosfär Utan atmosfär temperatur -65 till - 45 o C (kretsar kring röd dvärg) tidal locked till stjärnan (potentiell nackdel för liv) existens ifrågasatt av HARPS/HIRES teamet
HARPS (High Accurracy Radial Velocity Planet Searcher) Leds av Michel Mayor (Université de Génève) Använder 3.6 m teleskop vid La Silla (Chile) kan detektera radiala hastighetsskillnader av 1m/s 150 exoplaneter upptäckta Mest uppseendeväckande upptäckt: HD 85512 b (3.5 jordmasor på randen av bebobar zon, T utan atmosfär ungefär 300 K, avstånd från stjärnan 0.26 AU, period 54 dagar) ESO 3.6 m teleskop (La Silla)
HIRES (High Accurracy Echelle spectrometer) Högupplösningsspektrometer lokaliserad på Keck 10 m teleskop på Mauna Kea, Hawai i kontinuerlig täckning för våglängder nedanför 620 nm (röd)
2 10m teleskop på Keckobservatoriet är sammankopplade till stor interferometer Rå spektrum från solljus Utanalyserat spektrum Keck telescope
0.95 m rymdteleskop KEPLER observerar 100 000 stjärnor inom 3.5 år Använder transitmetoden för att upptäcka och karakterisera exoplaneter Uppskjuten i mars 2009
KEPLER Uppgifter: Bestämma tätheten av jordlika och större planeter i eller nära den bebobara zonen i en stor antal av olika stjärnor Bestämma fördelningen av storleker och egenskaper av planeter Bedöma hur många planeter existerar i multistjärnsystem Bestämma variationen av banradier och planeters reflektivitet, storleker,massor, densiteter Identifiera ytterliga planeter i redan upptäckta planetsystem Utforska egenskaper av stjärnor med planetsystem
DARWIN 4-5 rymdtelekop, 1 skulle fungera som kommunikationscentral parkerad vid Lagrange L2 punkten (1.5 miljoner km från jorden) skulle hitta ozon, koldioxid och vatten samtidigt i ett exoplanetatmosfär Nedprioriterad av ESA
COROT 30 rymdtelekop, startat i december 2006 Uppgifter: - att detektera planeter i andra stjärnsystem genom transitmetoden - att studera stjärnans inre genom att studera seismiska rörelser över stjärnan som ändrar dess luminositet - att beräkna stjärnors massa, ålder och kemiska sammansättning från dessa rörelser
Trappist-1 planetsystem Upptäcks av team av Universitetet i Liège i 2015 kretsar kring metallrik ultrakyl röd dvärg (0.08 solmassor) 3 planeter i bebobar zon, men alla planeter tidally locked Kraftig tidal heating på några av dem 2 i storlek mellan jord och mars, kan ha flytande vatten Mycket nära stjärnan, korta omloppstider (1.5 till 18.8 dagar) Ofta eklipser (bra för att karakterisera atmosfärer) Tätheten och troliga temperatur tyder på vatten på Trappist-1d Massor kunde mycket nogrann bestäms (5 Feb 2018)