5 POZASŁONECZNE UKŁADY PLANETARNE

Transkrypt

1 5 POZASŁONECZNE UKŁADY PLANETARNE

2

3 Czy czarna dziura może mieć układ planetarny?

4 Czy czarna dziura może mieć układ planetarny? Czy dostępna jest metoda umożliwiającą wykrycie planet okrążających czarną dziurę?

5 Czy czarna dziura może mieć układ planetarny? Czy dostępna jest metoda umożliwiającą wykrycie planet okrążających czarną dziurę? Czy może istnieć strefa habitacyjna w takim układzie planetarnym?

6

7 Światy poza naszym światem Do there exist many worlds, or is there but a single world? This is one of the most noble and exalted questions in the study of Nature. Albert Wielki ( ) Wraz z odkrywaniem budowy i wielkości Wszechświata stało się oczywiste, że gwiazdy stałe to odległe słońca a zatem powinny istnieć też planety poza słonecznymi. Próby odkrycia planet pozasłonecznych (egzoplanet) podejmowano od połowy XIX w. Na sukces trzeba było jednak czekać ponad 100 lat, do końca XX w.

8 Ogólna definicja planety nie została sformułowana, ale rozsądnym byłoby połączenie definicji IAU dla Układu Słonecznego z definicją Grupy Roboczej ds. Planet Pozasłonecznych IAU. planeta to ciało niebieskie, które: a) znajduje się na orbicie wokół gwiazdy lub pozostałości po gwieździe; b) ma masę mniejszą niż masa graniczna wymagana dla reakcji termojądrowej z udziałem deuteru (około 13 M J ), tzn. nie jest brązowym karłem c) ma wystarczającą masę, aby jego siła grawitacji przekraczała siły sztywności tego ciała, prowadząc do osiągnięcia kształtu odpowiadającego równowadze hydrostatycznej ; d) oczyściło sąsiedztwo swojej orbity

9 Metody wykrywania Do wykrywania egzoplanet wykorzystywanych jest kilka metod. Większość z nich to metody pośrednie planeta nie jest obserwowana wprost, ale przez swój wpływ na jej otoczenie. Każda z metod jest czuła na inne typy planet. chronometraż pulsarów i układów podwójnych zaćmieniowych metoda prędkości radialnych (dopplerowska) astrometria metoda tranzytu mikrosoczewkowanie grawitacyjne obrazowanie metoda dysków planetarnych

10 Metody wykrywania

11 Metody wykrywania chronometraż pulsarów / układów podwójnych / zmiennych pulsujących Metoda wykorzystuje wysoką regularność impulsów pulsara. Jeżeli pulsar obiegany jest przez planetę(y) to jego ruch wokół barycentrum powoduje periodyczne zmiany w częstotliwości obserwowanych impulsów. Metoda jest czuła na planety o różnych masach (nawet <M Z ) i niedużych okresach obiegu (krótki ciąg obserwacyjny). Można ją zastosować też do układów podwójnych zaćmieniowych i gwiazd pulsujących. Pierwsze odkrycie ogłoszono w 1992 planety wokół PSR

12 Metody wykrywania metoda prędkości radialnych Obieg gwiazdy i jej planet(y) wokół barycentrum powoduje dopplerowskie przesunięcie linii widmowych gwiazdy. Mierząc te przesunięcia można wyznaczyć składową radialną prędkości gwiazdy wokół barycentrum a stąd masę planet(y). Planeta m obiega gwiazdę M w czasie P po orbicie kołowej w odległości a. Prędkość orbitalna gwiazdy wynosi: 2 am v P Orbita widoczna jest dla obserwatora od kątem i, więc radialna prędkość mierzona wynosi: vsin i v rad Z 3. prawa Keplera i definicji barycentrum mamy: 2 3 GP M m 4 2 a MaM mam a a M am Łącząc powyższe wzory otrzymamy: 2 G msin i v rad P M m 2/ 3 lub tzw. funkcję mas pozwalającą obliczyć masę planety jeśli znamy masę gwiazdy: m sin i vradp f ( m) 2 M m 2 1/3 G

13 Metody wykrywania metoda prędkości radialnych Dokładne wyznaczenie prędkości radialnej (ok. 1 m/s) wymaga pomiaru przesunięć wielu linii widmowych. Oszacowanie kąta i wymaga dodatkowych obserwacji astrometrycznych. Metoda preferuje planety masywne o krótkich okresach orbitalnych. Metodą tą odkryto znaczną część znanych planet, ale planety-ziemie nie są dla niej obecnie technicznie nieosiągalne. Gliese 436b gorący neptun

14 Metody wykrywania astrometria Astrometria wykorzystuje podobną zasadę jak metoda dopplerowska. W astrometrii mierzone są zmiany położenia gwiazdy na niebie wywołane jej ruchem wokół barycentrum układu gwiazda planeta(y) Planeta m obiega gwiazdę M (odległą od Ziemi o d) po orbicie kołowej w odległości a. Promień orbity gwiazdy wokół barycentrum wynosi: m a M a M m Z Ziemi jest on widoczny pod kątem: a a m sin M d d M m Metoda preferuje planety na szerokich orbitach (najlepiej masywne). Do tej pory metodą tą nie odkryto żadnej planety (nie potwierdzono). Problemem jest zbyt mała dokładność obserwacji długoczasowych (około 1 mas). Dla przykładu Jowisz dla obserwatora odległego o 5 pc powoduje wychylenia Słońca o zaledwie 0.5 mas.

15 Metody wykrywania metoda tranzytu Przy odpowiednim położeniu orbity egzoplanety, raz na okres obiegu przechodzi ona na tle gwiazdy macierzystej powodując spadek widzianej jasności tej gwiazdy. Charakterystyki takiego tranzytu różnią się od spadku jasności związanego np. aktywnością gwiazdy (inny profil fotometryczny i zamiany spektralne). Planeta o promieniu R p obiega gwiazdę o promieniu R g. Pomijając zmiany jasności związane z gwiazdą, spadek obserwowanego strumienia w czasie tranzytu wynosi (zaćmienie pełne): f R p f Rg Zmiany te nie przekraczają 0.01 mag dla dużych planet (Jowisz). Planety ziemskie wymagają większej czułości i obserwacji poza atmosferą (scyntylacja). 2 tranzyt planety COROT-9b (gorący Jowisz)

16 Metody wykrywania metoda tranzytu Zalety metody to: łatwość stosowania na dużej próbce gwiazd oszacowanie rozmiaru planety (i gęstości przy połączeniu z metodą dopplerowską) możliwość detekcji atmosfery możliwość detekcji planet typu ziemskiego Wada to wymagana wysoka czułość i niskie prawdopodobieństwo tranzytu. Planeta Kepler-10b jedna z mniejszych znanych obecnie egzoplanet (3.3 M Z, R=1.4R Z ) wokół zwykłej gwiazdy

17 Metody wykrywania metoda tranzytu Zakrycia stanowią podstawę dla dwóch kolejnych metod detekcji: chronometraż wystąpienia tranzytu (TTV - Transit Timing Variation) nierównomierne odstępy między kolejnymi tranzytami mogą być wywołane obecnością kolejnej planet(y) chronometraż długości trwania tranzytu (TDV - Transit Duration Variation) zmienny czas trwania tranzytu może być wywołany przez obecność księżyca (egzoksiężyca) Metody te mają wysoką czułość. Możliwe jest wykrycie planet typu ziemskiego. TTV planety Kepler-19b wskazujący na obecność drugiej planety

18 Metody wykrywania mikrosoczewkowanie grawitacyjne Metoda wykorzystuje ugięcie światła w polu grawitacyjnym opisywane przez ogólną teorię względności. Silne soczewkowanie grawitacyjne działa w skali galaktycznej.

19 Metody wykrywania mikrosoczewkowanie grawitacyjne Słabsza wersja soczewkowania grawitacyjnego działa w skali mas gwiazd i mniejszych. Pozwala na pośrednie zaobserwowanie obiektów słabych lub nieświecących, np.: gwiazd neutronowych, brązowych karłów, i planet.

20 Metody wykrywania mikrosoczewkowanie grawitacyjne Słabsza wersja soczewkowania grawitacyjnego działa w skali mas gwiazd i mniejszych. Pozwala na pośrednie zaobserwowanie obiektów słabych lub nieświecących, np.: gwiazd neutronowych, brązowych karłów, i planet.

21 Metody wykrywania mikrosoczewkowanie grawitacyjne Metoda mikrosoczewkowania pozwala wyznaczyć masę planety i odległość od własnej gwiazdy. Zalety metody to możliwość detekcji planet mało masywnych i zastosowania do dużej liczby gwiazd (badanie powszechności planet w Galaktyce). Wadą jest niepowtarzalność zjawiska dla danej planety oraz zwykle niemożność zastosowania do odkrytej egzoplanety innych metod detekcji (zbyt daleko). OGLE-2005-BLG-390Lb jedna z najlżejszych planet odkrytych mikrosoczewkowaniem ( 5.5 M Z ) OGLE-2003-BLG-235Lb pierwsza planeta odkryta mikrosoczewkowaniem ( 2.6 M J )

22 Metody wykrywania obrazowanie Bezpośrednie zaobserwowanie egzoplanety wymaga zastosowania zaawansowanych technik (vortex coronagraph, nulling interferometry) a dodatkowo obserwacji w podczerwieni (kontrast jasności między planetą a gwiazdą wynosi >10 9 :1 dla światła widzialnego i >10 5 :1 dla podczerwieni). Modelowa jasność wiru optycznego dla pojedynczego źródła

23 Metody wykrywania obrazowanie Obecnie metoda pozwala wykryć planety większe od Jowisza na szerokich orbitach (>10 AU). Do tej pory uzyskano obrazy 25 planet o masach do 12 M J oraz ponad 20 obiektów o większych masach. Fomalhaut b najlżejsza planeta odkryta obrazowaniem i jedyna w świetle widzialnym (<2 M J ) [HST, koronograf] układ planetarny HR 8799 jedyny wielokrotny odkryty obrazowaniem [obserwatoria Keck i Palomar]

24 Metody wykrywania obrazowanie Obecnie metoda pozwala wykryć planety większe od Jowisza na szerokich orbitach (>10 AU). Do tej pory uzyskano obrazy 25 planet o masach do 12 M J oraz ponad 20 obiektów o większych masach. Dysk pyłowy i planeta w układzie Beta Pictoris

25 Metody wykrywania metoda dysków planetarnych Niektóre cechy dysków planetarnych mogą zdradzać obecność planet (przerwy, zgęszczenia). Struktura dysku odkrytego wokół Epsilon Eridani wskazuje na możliwość istnienia 1-2 planet (poza Epsilon Eridani b odkrytą metodą dopplerowską, nie potwierdzone).

26 Metody wykrywania skuteczność metod radial velocity transit timing direct imaging microlensing

27 Metody wykrywania skuteczność metod J N Z

28 Metody wykrywania skuteczność metod radial velocity transit astrometry

29 Cechy egzoplanet Obecnie znanych jest ponad 1854 egzoplanet (potwierdzonych). Około 90% z nich znajduje się w odległości do 1000 lś. Z dotychczasowych odkryć możemy stwierdzić: planety są zjawiskiem powszechnym różnorodność układów planetarnych i planet jest znacznie większa niż to co widzimy w Układzie Słonecznym (gorące jowisze, super-ziemie) Ze względu na ograniczenia stosowanych metod nie możemy stwierdzić jak bardzo (nie)typowy jest Układ Słoneczny i planety typu Ziemi (zamieszkiwalne).

30 Cechy egzoplanet

31 Cechy egzoplanet

32 Cechy egzoplanet Planety potrzebują do powstania pierwiastków metalicznych. Gwiazdy o mniejszej metaliczności rzadziej posiadają planety. Próba wykrycia planet metodą tranzytów w gromadzie 47 Tuc nie przyniosła żadnego odkrycia. pop. II / pop. I

33 Wyspy życia Z poszukiwaniem egzoplanet wiąże się poszukiwanie życia pozaziemskiego. Podstawowym problemem w tych poszukiwaniach jest brak uniwersalnej definicji życia i szczegółowego określenia warunków potrzebnych do jego powstania i istnienia. Te braki zmuszają nas do przyjęcia (chwilowo) ziemskiego punktu widzenia. Szukamy zatem planet skalistych, na których woda może istnieć w formie ciekłej przez dłuższy czas (> lat?).

34 Czy czarna dziura może mieć układ planetarny? Czy dostępna jest metoda umożliwiającą wykrycie planet okrążających czarną dziurę? Czy może istnieć strefa habitacyjna w takim układzie planetarnym?

35

36 Wyspy życia Pozaziemskie życie inteligentne paradoks Fermiego "Jeśli istnieje wiele zaawansowanych pozaziemskich cywilizacji, to dlaczego nie znaleźliśmy dotąd żadnych ich śladów?" (wybrane) możliwe odpowiedzi: szukamy zbyt krótko, nie tam gdzie trzeba, nieodpowiednio Oni nie chcą być odkryci teorie spiskowe nie ma innego życia inteligentnego, co najmniej w naszej części Galaktyki Hipoteza jedynej Ziemi (rare Earth hypothesis): planety na których mogło pojawić się życie w postaci prostych, jednokomórkowych form są dość powszechne; planety na których obecne są formy złożone (zwierzęta, rośliny) są skrajnie rzadkim zjawiskiem

37

38 Podstawowy warunek Ciało planetarne powinno być w strefie zamieszkiwalnej (habitable zone HZ, ekosfera), czyli w obszarze, w który warunki fizyczne mogą sprzyjać powstaniu/istnieniu życia (typu ziemskiego )

39 Martwe strefy wczesny Wszechświat galaktyki są zbyt młode, aby zawierać odpowiednią ilość metali potrzebną do powstania planet typu ziemskiego; częste niebezpieczne zjawiska aktywne (kwazary, supernowe) gromady kuliste zawierają do miliona gwiazd, ale mają zbyt małą metaliczność, aby możliwe było powstanie planet ziemskich odpowiednio dużych; gwiazdy typu słonecznego są stare i osiągnęły już fazę czerwonych olbrzymów na planetach wewnętrznych jest zbyt gorąco; częste bliskie zbliżenia gwiazd zaburzają orbity planet

40 Martwe strefy galaktyki eliptyczne gwiazdy są zbyt ubogie w metale; gwiazdy typu słonecznego są stare i osiągnęły już fazę czerwonych olbrzymów na planetach wewnętrznych jest zbyt gorąco małe galaktyki większość gwiazd jest uboga w metale

41 Martwe strefy centra galaktyk procesy wysokoenergetyczne utrudniają istnienie złożonych form życia krańce galaktyk dużo część gwiazd jest uboga w metale

42 Martwe strefy układy planetarne z "gorącymi Jowiszami" zmniejszanie się orbit gazowych olbrzymów destabilizuje orbity planet wewnętrznych układy planetarne z dużymi planetami na orbitach wyraźnie spłaszczonych orbity planet mogą być niestabilne; niektóre planety wyrzucane są w przestrzeń międzygwiazdową przyszłe gwiazdy uran, potas, tor są prawdopodobnie zbyt rzadkie, aby dostarczyć odpowiednią ilość ciepła koniecznego dla utrzymania ciekłego wnętrza planet

43 Czynniki niezbędne do życia (prawdopodobnie) kluczowe czynniki, dzięki którym może pojawić się i rozwijać życie (mogło pojawić się na Ziemi) ogólny podział położenie właściwości planety najbliższe sąsiedztwo Obszary, posiadające wymagane cechy to potencjalne strefy zamieszkiwalne są (mogą być) wyspami życia.

44 Wyspy życia HZ na poziomie Wszechświata: (w czasie) odpowiednia ilość metali pojawia się dopiero po pewnym czasie od Wielkiego Wybuchu (w przestrzeni)??

45 Wyspy życia HZ na poziomie galaktyk: typ galaktyki galaktyki nieregularne, eliptyczne, małe nie mają odpowiednio dużej metaliczności położenie w galaktyce spiralnej (galaktyczna HZ): poza obszarem centrum (duże zagęszczenie gwiazd, częste zjawiska wysokoenergetyczne) poza skrajem dysku (mała metaliczność) poza halo (mała metaliczność, stare gwiazdy, gęsto upakowane) orbita mało eliptyczna gwarantująca pozostawanie w galaktycznej HZ unikanie ramion spiralnych(?)

46 Wyspy życia HZ na poziomie gwiazd: gwiazdy masywniejsze (O, B, A) od Słońca żyją za krótko i są zbyt silnym źródłem UV gwiazdy mało masywne (typ M) mają HZ bardzo blisko siebie planeta narażona jest na rotację synchroniczną i promieniowanie związane z aktywnością rozbłyskową gwiazdy ciągu głównego typ widmowy temperatura promień masa jasność względem Słońca czas życia [mln lat] obfitość

47 Wyspy życia HZ na poziomie gwiazd: układy podwójne/wielokrotne tak, o ile możliwe są stabilne orbity planet gwiazdy zmienne nie ze względu na niestabilny strumień promieniowania gromady otwarte nie bo są zbyt młode gromady kuliste nie

48 Wyspy życia HZ na poziomie gwiazd: najodpowiedniejsze będą gwiazdy typów F, G, K (masy od 1.7 do 0.5 M Słońca) takie gwiazdy stanowią niecałe 15% gwiazd w Galaktyce ważna informacja stąd wynikająca: Słońce nie jest przeciętną gwiazdą około 90% gwiazd jest mniej masywna, około 2/3 gwiazd należy do układów podwójnych/wielokrotnych

49 Wyspy życia HZ na poziomie układów planetarnych: klasyczna HZ to obszar wokół gwiazdy, w którym warunki fizyczne na planecie umożliwiają istnienie wody w stanie ciekłym ale, jasność gwiazdy z wiekiem rośnie, czyli HZ się oddala przy odpowiedniej odległości planeta będzie pozostawać w HZ dostatecznie długo (mld lat, CHZ ciągła strefa zamieszkiwalna) HZ obecnie HZ za 3.5 mld

50 Wyspy życia ważne uwagi do planetarnej HZ: położenie HZ/CHZ zależy też od samej planety (dla Ziemi AU) orbita planety powinna mieć małe spłaszczenie planeta pozostaje w HZ w ciągu swojego roku gorące wnętrze planety/księżyca może utrzymać proste formy życia nawet jeśli znajduje się ona/on poza klasyczną HZ, np.: księżyce planet zewnętrznych planety wyrzucone poza macierzysty układ planetarny

51 Wyspy życia ważne uwagi do planetarnej HZ: dokładne położenie HZ zależy również od typu organizmów: MHZ strefa HZ dla mikroorganizmów; najszersza, może obejmować cały układ planetarny (ekstremofile) AHZ/PHZ strefa HZ dla zwierząt/roślin wyższych; węższa niż MHZ (temperatura wody znacznie poniżej temperatury wrzenia)

52 Wyspy życia ważne (?) cechy planety: odpowiednią ilość metali, w tym: pierwiastków radioaktywnych, węgla i wody obecność atmosfery, oceanów i lądu, magnetosfery odpowiednia wielkość potrzebna do utrzymania atmosfery, wolnego stygnięcia wnętrza i zróżnicowania topografii obiekt skalisty (planeta, księżyc,??planety gazowe/lodowe/wodne??) odpowiednia budowa wewnętrzna (gęste jądro, częściowo ciekłe, skorupa z lżejszych pierwiastków) obrót niesynchroniczny

53 Wyspy życia ważne (?) cechy planety: obecność tektoniki płyt: zwiększanie bioróżnorodności (zmniejszanie podatności na wymierania) poprzez stymulację ewolucji organizmów wpływ na globalny termostat poprzez umożliwienie obiegu gazów cieplarnianych w cyklu: wulkanizm wietrzenie subdukcja wpływ na globalne pole magnetyczne poprzez umożliwienie ruchów konwekcyjnych w ciekłym wnętrzu planety

54 Wyspy życia inne ważne (?) wymagania: odpowiednia intensywność zderzeń z innymi ciałami, brak dużych kolizji po okresie początkowym dostarczenie przez komety/planetoidy/meteoroidy wody, węgla, azotu związków organicznych (w przypadku sterylizacji planety) odpowiednie występowanie zjawisk powodujących wielkie wymierania (stymulacja ewolucji)

55 Wyspy życia cechy otoczenia obecność dużej planety zewnętrznej (typu gazowy olbrzym) zmniejszanie (?) częstotliwości zderzeń z planetoidami poprzez oczyszczanie przestrzeni międzyplanetarnej z tych ciał brak dużych planet na orbitach wyraźnie spłaszczonych i (?) blisko gwiazdy macierzystej

56 Wyspy życia cechy otoczenia obecność dużej planety zewnętrznej (typu gazowy olbrzym) zmniejszanie (?) częstotliwości zderzeń z planetoidami poprzez oczyszczanie przestrzeni międzyplanetarnej z tych ciał brak dużych planet na orbitach wyraźnie spłaszczonych i (?) blisko gwiazdy macierzystej

57 Wyspy życia cechy otoczenia obecność dużego księżyca (pływy, stabilizacja nachylenia osi obrotu)

58 Wyspy życia Pozaziemskie życie inteligentne paradoks Fermiego "Jeśli istnieje wiele zaawansowanych pozaziemskich cywilizacji, to dlaczego nie znaleźliśmy dotąd żadnych ich śladów?" (wybrane) możliwe odpowiedzi: szukamy zbyt krótko, nie tam gdzie trzeba, nieodpowiednio Oni nie chcą być odkryci teorie spiskowe nie ma innego życia inteligentnego, co najmniej w naszej części Galaktyki Hipoteza jedynej Ziemi (rare Earth hypothesis): planety na których mogło pojawić się życie w postaci prostych, jednokomórkowych form są dość powszechne; planety na których obecne są formy złożone (zwierzęta, rośliny) są skrajnie rzadkim zjawiskiem

59

60 Powstawanie układów planetarnych Powstawanie układów planetarnych (za wykład) Planety z przypadku, Lin, D., Świat Nauki, 6/2008 Więcej FUPa dla zainteresowanych Fizyka Układów Planetarnych w wersji filmowej Wonders of the Solar System, BBC, 2010 Empire of the Sun Order Out of Chaos The Thin Blue Line Dead or Alive Aliens [DVD, Blu-Ray] (w wersji polskiej Magia Układu Słonecznego)