Planety odległych gwiazd

Planety odległych gwiazd Metody: Chronometraż Prędkości radialne Tranzyty Soczewkowanie grawitacyjne Hipotezy: Powstawanie układów planetarnych Przyszłość: Poszukiwanie zamieszkanych globów

M*V = m*v ===> V = v*m/m Ziemia: 30km/s ===> Słońce 0.1m/s Jowisz: 13km/s ===> Słońce 13m/s Jowisz na orbicie Merkurego ===> Słońce 46m/s JAK ZMIERZYĆ RUCH Z TAK MAŁĄ PRĘDKOŚCIĄ?

Arecibo

A. Wolszczan chronometraż pulsarów = obserwacja czasu nadejścia kolejnych pulsów promieniowania

2.7AU ----------------->???

Planety wykryte metodą chronometrażu

Wokół typowych gwiazd M. Mayor i D. Queloz Spektrograf Elodie (15m/s) 193 cm teleskop Observatoire de Haute Provence ------------------>

Mayor i Queloz (1995) planeta gwiazdy 51 Pegasi gwiazda: 1,06 M_Sun, 45 l.św. od Ziemi planeta: 0,45 M_Jup, a=0.05 AU, P=4,231 d

G. Marcy P. Butler Butler i in. (1997) planeta b; przy dłuższych obserwacjach: modulacja z okresem 3,5 roku Planeta d; dalsza analiza jakości dopasowania planeta c

55 Cancri

Schemat spektrografu wysokiej rozdzielczości

Widmo otrzymane przy pomocy spektrografu HIRES

Ciężkie i blisko selekcja obserwacyjna Skąd jowisze tak blisko? Hipoteza: powstały daleko, zmieniły położenie.

Planety wokół gwiazd zawierających więcej niż średnia pierwiastków o dużych masach atomowych. [Mena i in (2010) arxiv:1009.5224]

Planeta pozagalaktyczna? 1. Planeta wokół gwiazdy zawierającej 100 razy mniej Fe niż Słońce, w odległości ~0.1 AU 2. Należąca do,,strumienia gwiazd'' w halo Galaktyki pozostałości po galaktyce karłowatej 3. Gwiazda,,już była'' czerwonym olbrzymem. Co działo się wtedy z planetą?

,,Tranzyty Np: Jowisz Słońce: byłoby to przejściowe zmniejszenie jasności o 1% trwające ok. 30 h zdarzające sie co 11 lat i widoczne dla 1 spośród ponad 1000 obserwatorów losowo rozmieszczonych w przestrzeni

HD 209458 1999: przejścia planety przed gwiazdą 2001: sód w atmosferze planety 2003: wodór w górnych warstwach atmosfery 2004: węgiel i tlen

OGLE [Optical Gravitational Lens Experiment] Andrzej Udalski Teleskop Warszawski w Las Campanas (Chile) 1,3m

(Konacki i in.) (Udalski +OGLE)

Planeta HAT-P-1 masa: 1.38 M_Jowisz (Wizja artystyczna) Odkryta przy pomocy Hungarian Automated Telescope Średnia gęstość 4x mniejsza od wody. Obserwacja przejść pozwala określić rozmiary planety. Brak teorii wyjaśniającej duże rozmiary ogrzewanie powierzchni nie wystarcza.

Widmo gwiazdy oraz widma planet wokół niej (odbicie + emisja) obserwowane z dużej odległości. HJ hot Jupiter = duża i bliska planeta (~0.05 AU).

Obserwacje HD 189733A+b przy pomocy teleskopu kosmicznego Spitzera, 8 mikronów. Widoczne zaćmienie wtórne oraz wpływ fazy planety.

Obserwacje HD 189733A+b przy pomocy teleskopu kosmicznego Hubble'a. Model atmosfery zawierającej metan poprawia dopasowanie.

Przejścia wodoru wypływającego z planety 55 Cnc b przed tarczą macierzystej gwiazdy (55 Cnc) obserwowane w linii Ly-alfa przez HST. [Echrenreich et al. ArXiv:1210.0531; NASA]

Atmosfery odległych planet Widmo transmisyjne WASP-49b. Widoczne linie sodu. Planeta ta to,,gorący jowisz, bliski,,wyparowania. Pary sodu sięgają 3/2 promienia planety. [Wyttenbach et al. (2017) arxiv:1702.00448]

[Crossfield (2015) arxiv:1507.03966]

Odstępstwa od chemicznej równowagi w atmosferach niektórych planet; alfa: stosunek rozpowszechnienia kilku związków chemicznych (CH4*H2O/CO/H2^3). [Crossfield (2015) arxiv:1507.03966]

Atmosfery odległych planet Obserwujemy coraz liczniejsze Przyszłość JWST (kolejny teleskop kosmiczny): atmosfery superziem Poszukiwanie planet zamieszkiwalnych

Kepler: ilość przechodzi w jakość Monitorowanie 100 tys gwiazd V<14 mag. Dla V=12 można wykryć przejście,,ziemi''.

Monitorowanie 100 tys gwiazd V<14 mag. Dla V=12 można wykryć przejście,,ziemi''.

Okresy i rozmiary planet-kandydatów wykrytych przez teleskop Keplera. Kropki planety pojedyncze, kółka należace do układów z 2 planetami, trójkąty sześciokąty planety w układach z 3 6 planetami. Mniej olbrzymów w wielokrotnych? [Lissauer i in. (2011) arxiv:1102.0543, ApJS Nov 2011]

Monitorowanie 100 tys gwiazd V<14 mag. Dla V=12 można wykryć przejście,,ziemi''.

(WIZJA ARTYSTYCZNA) Układ Kepler 444 z 5 planetami rozmiarów <Ziemi. Badanie gwiazdy, ktora jest bliska (114 ly) więc jasna i pozwala zaobserwować oscylacje gwiazdy, a ta uzupełniająca informacja pozwala z kolei określić masę rozmiar i wiek. (3/4 masy Słońca, 11,2 mld lat). Najstarszy (?) znany układ planetarny.

,,Soczewkowanie grawitacyjne

Zjawisko OGLE 2003-BLG-235/MOA 2003-BLG-53 OGLE: 22.VI.2003 MOA: 21.VII.2003

( OGLE 2003-BLG-235/MOA 2003-BLG-53 ) Obserwacje nie dają pełnej charakterystyki układu planetarnego. Jeśli znajduje się on w najbardziej prawdopodobnej odległości 5.2 kpc (15000 l.św.), to składa się z gwiazdy o masie 0.36 M_Sun i planety o masie 1.5 M_Jup, w (zrzutowanej) odległości 3 AU.

Zjawisko OGLE 2005-BLG-071 Oszacowania oparte na wstępnej analizie obserwacji: gwiazda 0.6 M_Sun w odległości ok. 10000 l.św. Planeta ok. 4 M_Jup w zrzutowanej odległości 2 AU

Zjawisko OGLE 2006-BLG-109 0.5 M_Sun + 0.71 M_Jup 2.3 AU + 0.27 M_Jup 4.6 AU [Stosunki mas i odległości jak w układzie Słońce-Jowisz-Saturn]

Swobodne planety? 2 przykłady niezwykle krótkich zjawisk mikrosoczewkowania

Swobodne planety? Czas trwania ~ sqrt(m)/v; obserwacje sugeruja istnienie 2 typów obiektów

Swobodne planety? A może to planety o dużych orbitach? NIE: z 10 zjawisk trwających <2 dni, trzy można by kojarzyć z planetami słabo związanymi, jedno z brązowymi karłami, ale reszta to planety swobodne. (To odpowiadałoby wyrzuceniu 2 jowiszów przez każdą gwiazdę) Nowe dane (następna strona) przeczą powyższej interpretacji. [Clanton & Gaudi (2017) ApJ, 834, 46]

Swobodne planety? Nowe, bogatsze dane (OGLE 2010-2015: 2617 zjawisk o bardzo dobrej rozdzielczości czasowej). Histogram nie zawiera już osobnej populacji o skali ~1 dnia ( jowisze ), natomiast pojawia się populacja jeszcze krotszych zjawisk ( super-ziemie ) Swobodne małe planety są łatwiejsze do zrozumienia, bo mogły zostać wyrzucone w oddziaływaniach gwiazda-jowisz-mała. (Zielone krzywe sugerują wyrzucanie 5-10 ziemi przez każdą gwiazdę. Wyrzucanie jowiszów wymagałoby czegoś o podobnych im masach). [Mróz i in. (2017) Nature, 548, 183 ]

VLT, Paranal Pierwszy obraz odległego układu planetarnego. Gwieździe 2M1207 w odległości ~200 l.św. od Ziemi towarzyszy planeta około 5 razy cięższa niż Jowisz. Odległość pomiędzy nimi to ok. 55 AU

GQ Lupi A, b [ESO VLT, Paranal]

Jak zbudowane są planety? Zależność rozmiarów od masy dla gazowych kul. Dla mas >0.075 M_sun w centrum zachodzą reakcje termojądrowe. Takie obiekty są gwiazdami. Lżejsze obiekty to brązowe karły (zbyt lekkie by stać się gwiazdami) lub planety (powstałe w otoczeniu gwiazd). [Chabrier et al. (2011) IAU Symp. 276, p 171]

Jak zbudowane są planety? Zależność rozmiarów od masy dla planet obserwatorium Keplera [Southworth, 2014, arxiv:1411.5517]

Jak zbudowane są planety? Zależność rozmiarów od masy dla kul o różnym składzie chemicznym. Tylko Jowisz może mieć skład słoneczny. Inne planety Układu Słonecznego są wzbogacone w substancje o dużych gęstościach. To samo dotyczny pokazanych planet innych gwiazd. [Chabrier et al. (2011) IAU Symp. 276, p 171]

Jak powstają planety? Artystyczna wizja pokazująca powstanie gwiazdy, utworzenie dysku protoplanetarnego, jego stygnięcie i powstawanie planet

Jak powstają planety? T Tauri powstająca,,właśnie'' gwiazda otoczona obłokiem gazu i pyłu Gwiazdy typu T Tauri w Mgławicy Oriona otoczone dyskami protoplanetarnymi

Jak powstają planety? Dysk protoplanetarny (nasz: >0.01 M_Sun) Wpływ gwiazdy na dysk (linia śniegu ~3AU) Pył skały/lód (1m) planetezymale (1km)???,,embriony'' (~0.01 M_Earth) przyłaczają planetezymale, powiększają się,,oligarchia'' największe najszybciej Wewnątrz linii śniegu wzrost do <10 M_Earth Na zewnątrz możliwe przekroczenie i akrecja gazu Oddziaływanie z dyskiem migracja, a nawet spadek na gwiazdę!!! Promieniowanie gwiazdy usuwa gaz (miliony lat)

Jak powstają planety? Symulacje: niewielkie aglomeraty pyłu,,sklejają się'' w większe. Gęstość powstającego obiektu zależy od względnych prędkości Blum I Wurm (2008) ARAA,46, 21. Podsumowanie laboratoryjnych eksperymentów (także w warunkach znikomej grawitacji). Bezpośredni wzrost ciał >10cm w zderzeniach nie wydaje się możliwy...

Jak ewoluują układy planetarne? Oddziaływanie z dyskiem: migracja (problem: za szybka)

Jak ewoluują układy planetarne? Oddziaływanie pomiędzy planetami (Np: układ Jowisz-SaturnUran-Neptun mógł poczatkowo mieścić się w 15AU) Inna hipoteza: Saturn,,wyrzuca'' Neptuna na większą orbitę [ Tsiganis i in. (2005) Nature 435, 459]

Podsumowanie Liczba obserwowanych układów planetarnych rośnie Przewaga jowiszów selekcja obserwacyjna jowisze blisko wędrówka planet? Więcej danych pełniejsza teoria ewolucji układów planetarnych? Współczesne modele potrafią wytłumaczyć niektóre aspekty ewolucji układów planetarnyuch

Życie poza Ziemią? [Kaltenegger (2017) AnnRevAA, 55, 433] Koncepcja strefy zamieszkiwalnej (w której może istnieć ciekła woda) Przykład: strefa wokół Słońca, przesuwanie się jej granic wskutek ewolucji.

Życie poza Ziemią? [Kaltenegger (2017) AnnRevAA, 55, 433] Planety wykryte metodą tranzytów mają dobrze określone rozmiary, a planety ze zmierzonymi prędkościami radialnymi masy. W niektórych przypadkach wzajemne perturbacje planet i ich wpływ na czas przejścia pozwala ocenić masę, a tym samym gęstość. Niektóre z planet powyżej są zapewne skaliste.

Życie poza Ziemią? [Kaltenegger (2017) AnnRevAA, 55, 433] Planety wykryte metodą tranzytów o promieniach <2 promienie Ziemi znajdujące się w zamieszkiwalnych strefach swoich gwiazd.

Życie poza Ziemią? [Kaltenegger (2017) AnnRevAA, 55, 433] Planety wykryte metodą prędkości radialnych o masach <10 mas Ziemi znajdujące się w zamieszkiwalnych strefach swoich gwiazd.

Życie na Ziemi [Kaltenegger (2017) AnnRevAA, 55, 433] Skład atmosfery zmieniał się przez 4 mld lat. W widmie odbitym pojawiły się pasma metanu, a później tlenu. W widmie emisji podobnie. (Bez żywych organizmów te związki są niestabilne)

Życie poza Ziemią [Kaltenegger (2017) AnnRevAA, 55, 433] Widmo światła słonecznego (czarne) i paru chłodniejszych gwiazd po przejściu przez atmosferę Ziemi. Pasma absorpcyjne są wyraźne, ale przez atmosferę (o efektywnej grubości 10 50 km zależnie od rozpatrywanej długości fali / rodzaju związku chemicznego) przechodzi znikoma część całkowitego strumienia promieniowania od gwiazdy.

Życie poza Ziemią? [Kaltenegger (2017) AnnRevAA, 55, 433] Widmo światła emitowanego przez planetę podobną do Ziemi, umieszczoną na orbicie wokół gwiazd różnych typów. Najsilniejsze jest pasmo pochłaniania ozonu (O3). (Emisja planety w podczerwieni jest o wiele rzędów słabsza niż jej macierzystej gwiazdy.)

Życie poza Ziemią obserwacje? Pomiar widma emitowanego, transmitowanego czy odbitego przez skalistą planetę typu Ziemi, a znajdującą się w innym układzie planetarnym jest niezwykle trudny. Być może James Webb Space Telescope (JWST), następca teleskopu Hubble a o średnicy 6.5 m, będzie mógł to zrobić dla planet najbliższych gwiazd Być może przyszłe misje kosmiczne zrobią to w większym zakresie odległości...

Swobodne planety? A może to planety o dużych orbitach? NIE: z 10 zjawisk trwających <2 dni, trzy można by kojarzyć z planetami słabo związanymi, jedno z brązowymi karłami, ale reszta to planety swobodne. (To odpowiadałoby wyrzuceniu 2 jowiszów przez każdą gwiazdę) Nowe dane (następna strona) przeczą powyższej interpretacji. [Clanton & Gaudi (2017) ApJ, 834, 46]