einführung in die astronomie unf astrophysik ii - teil 4 · has sufficient mass for its...
Post on 16-Aug-2019
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Einführung in die
Astronomie und Astrophysik II
Teil 4
Jochen LiskeFachbereich Physik
Hamburger Sternwarte
jochen.liske@uni-hamburg.de
Astronomische Nachricht der Woche
24.04.2019 = Hubbles 29. Geburtstag
Geburtstagsbild vom südlichen
Krebsnebel:
Themen
Interstellare Materie
Sternentstehung
Sternentwicklung
Exoplaneten
Die anderen „Boten“
Die Milchstraße
Galaxien
Aktive Galaktische Kerne
Intergalaktische Materie
Kosmologie
Zusammenfassung für M 1 Mʘ:
Post-Hauptreihenentwicklung
Stabiles He-
Brennen im Kern
(„He-Hauptreihe“)
Zusammenfassung für M 1 Mʘ:
Post-Hauptreihenentwicklung
Schalen-Brennen
erlischt keine
weitere Kernfusion
Bisher: Sternentwicklung aus theoretischer Modellierung
Komplexes Problem: Ergebnisse abhängig von
Anfänglicher Elementhäufigkeit
Zeitliche und räumliche Entwicklung
von Konvektionszonen
Rotation (Elementmischung)
Massenverlust (Sternwinde)
Darstellung der Ergebnisse im HRD
Vergleich mit Beobachtungen
Vergleich mit Beobachtungsdaten
für einzelne Sterne nicht möglich,
weil Zeitskalen zu lang
Stattdessen: statistische Aussagen
anhand von Sternhaufen (bis zu 106
Sterne):
Gleiche anfängliche
Elementhäufigkeit der Sterne
Gleiche Entfernung gleiches
Entfernungsmodul m−M
Gleiches Alter
Vergleich mit Beobachtungen
Sternhaufen Verteilung von Sternen unterschiedlicher Massen im
Farben-Helligkeits-Diagramm zu einem Zeitpunkt
Modellrechnungen unterschiedlicher Sternmassen liefern
Isochronen = Linien gleichen Alters
Vergleich liefert Alter des Haufens, Metallizität
Erlaubt Aussage über die Qualität des Modells
Vergleich mit Beobachtungen
Themen
Interstellare Materie
Sternentstehung
Sternentwicklung
Exoplaneten
Die anderen „Boten“
Die Milchstraße
Galaxien
Aktive Galaktische Kerne
Intergalaktische Materie
Kosmologie
1992: Entdeckung der ersten beiden Planeten außerhalb des
Sonnensystems: um den Pulsar PSR 1257+12!
1995: erster Nachweis eines Planeten um einen „normalen“ Stern
51 Peg b
0.5 MJup
a = 0.05 AU, P = 4.2 d „heißer Jupiter“
Seitdem: >4000 Exoplaneten entdeckt (Stand heute, Zahlen können
je nach Quelle wegen unterschiedlicher Kriterien variieren)
Extrasolare Planeten
Definition der Internationalen Astronomischen Union (2006):
The IAU therefore resolves that planets and other bodies in our Solar
System, except satellites, be defined into three distinct categories in the
following way:
1. A “planet” is a celestial body that (a) is in orbit around the Sun, (b)
has sufficient mass for its self-gravity to overcome rigid body forces
so that it assumes a hydrostatic equilibrium (nearly round) shape,
and (c) has cleared the neighbourhood around its orbit.
2. A “dwarf planet” is a celestial body that (a) is in orbit around the
Sun, (b) has sufficient mass for its self-gravity to overcome rigid
body forces so that it assumes a hydrostatic equilibrium (nearly
round) shape, (c) has not cleared the neighbourhood around its
orbit, and (d) is not a satellite.
3. All other objects, except satellites, orbiting the Sun shall be referred
to collectively as “Small Solar-System Bodies”.
Aktuelle Definitionen: Planet
Aktuelle Definition: Extrasolarer PlanetEmphasizing again that this is only a working definition, subject to change as
we learn more about the census of low-mass companions, the Working Group
on Extrasolar Planets (WGESP) has agreed to the following statements:
1. Objects with true masses below the limiting mass for thermonuclear fusion
of deuterium (currently calculated to be 13 Jupiter masses for objects of
solar metallicity) that orbit stars or stellar remnants are “planets” (no matter
how they formed). The minimum mass/size required for an extrasolar object
to be considered a planet should be the same as that used in our Solar
System.
2. Substellar objects with true masses above the limiting mass for
thermonuclear fusion of deuterium are “brown dwarfs”, no matter how they
formed nor where they are located.
3. Free-floating objects in young star clusters with masses below the limiting
mass for thermonuclear fusion of deuterium are not “planets”, but are "sub-
brown dwarfs" (or whatever name is most appropriate).
These statements are a compromise between definitions based purely on the
deuterium-burning mass or on the formation mechanism, and as such do not
fully satisfy anyone on the WGESP. However, the WGESP agrees that these
statements constitute the basis for a reasonable working definition of a “planet”
at this time. We can expect this definition to evolve as our knowledge improves.
~4000 bestätigte Exoplaneten um ~3000 Sterne (+ 1000e Kandidaten)
Fast jeder Stern ist von mindestens einem Planeten umgeben
Ca. 20% sonnenähnlicher Sterne haben einen erdähnlichen Planeten
in der bewohnbaren Zone
Extrasolare Planeten
„Bewohnbare“ Zone
„Bewohnbare“ (habitable) Zone = Region um einen Stern, in der der
Strahlungsfluss des Sterns flüssiges Wasser auf der Oberfläche
eines Planeten zulässt
Nicht zu nah (= zu heiß) und nicht zu weit weg (= zu kalt)
~4000 bestätigte Exoplaneten um ~3000 Sterne (+ 1000e Kandidaten)
Fast jeder Stern ist von mindestens einem Planeten umgeben
Ca. 20% sonnenähnlicher Sterne haben einen erdähnlichen Planeten
in der bewohnbaren Zone
Extrasolare Planeten
Die wichtigsten Methoden, mit denen Exoplaneten nachgewiesen
werden können:
Indirekt:
• Radialgeschwindigkeit
• Transit
• Microlensing
• Transit Timing Variation
• Astrometrie
Direkter Nachweis (bildgebende Verfahren)
Extrasolare Planeten: Nachweismethoden
Verschiedene Nachweismethoden
liefern verschiedene Information über
die physikalischen Eigenschaften des
Planeten und seiner Umlaufbahn
Unterschiedliche Methoden leiden an
unterschiedlichen Selektionseffekten
Alle Methoden sind limitiert durch die
endliche zeitliche Ausdehnung der zur
Verfügung stehenden Datensätze
Extrasolare Planeten
Spektroskopischer Nachweis der Radialkomponente (entlang der
Sichtlinie) der Bewegung des Sterns um den Masseschwerpunkt
(Doppler-Effekt)
Radialgeschwindigkeitsmethode
Spektroskopischer Nachweis der Radialkomponente (entlang der
Sichtlinie) der Bewegung des Sterns um den Masseschwerpunkt
(Doppler-Effekt)
Erste erfolgreiche Methode
Eine der ergiebigsten Methoden
Liefert P, a, M sin(i), e
Schwierig für erdähnliche Planeten:
Erde verursacht ein Signal in der Sonne
mit Amplitude = 9 cm/s
Derzeit bestes Instrument: HARPS @ 3.6m
Radialgeschwindigkeitsmethode
Astrometrischer Nachweis der
Bewegung des Sterns um den
Masseschwerpunkt in der Ebene
des Himmels
Schwierig, da stark
entfernungsabhängig
Z.B.: Jupiter @ 10 pc 1 mas in
12 a!
Vorteil: sensitiv für Planeten in
weiten Orbits
Astrometrische Methode
Nachweis durch kurzzeitige Aufhellung
eines Hintergrundsterns durch
Gravitationslinseneffekt
Vorteile:
Sensitiv für weite Orbits
Sensitive für Orbits mit i = 0
Sensitiv für Planeten in großer
Entfernung
Nachteile:
Einmaliger Event, überhaupt kein
follow-up möglich
Liefert nur Masse
Microlensing-Methode
Transit-Methode
Nachweis der Verdunkelung des
Muttersterns während Transits
Heute ergiebigste Methode
Vorteile:
Sehr ergiebig
Liefert P, a, i, e, R
Wenn auch M aus RV
Physik!
Transit-Methode
Nachweis der Verdunkelung des
Muttersterns während Transits
Heute ergiebigste Methode
Vorteile:
Sehr ergiebig
Liefert P, a, i, e, R
Wenn auch M aus RV
Thermische IR-Strahlung +
Transmissionsspektroskopie
Atmosphärenphysik!
Transit-Methode
Nachweis der Verdunkelung des
Muttersterns während Transits
Heute ergiebigste Methode
Vorteile:
Sehr ergiebig
Liefert P, a, i, e, R
Wenn auch M aus RV
Thermische IR-Strahlung +
Transmissionsspektroskopie
Atmosphärenphysik!
Transit-Methode
Nachweis der Verdunkelung des
Muttersterns während Transits
Heute ergiebigste Methode
Vorteile:
Sehr ergiebig
Liefert P, a, i, e, R
Wenn auch M aus RV
Thermische IR-Strahlung +
Transmissionsspektroskopie
Atmosphärenphysik!
Nachteile:
Braucht Weltraumteleskop
Nur sensitiv für i 90
Hohe Falsch-Positiv-Rate
Bestes Instrument bisher: Kepler
Nachweis eines weiteren Planeten durch Beobachtung der
Variation des Zeitpunkts aufeinanderfolgender Transits eines
bereits bekannten Planeten
Transit-Timing-Variation
Direkter Nachweis durch bildgebende Verfahren
Trennung des Planetenbildes von dem des Muttersterns durch
hohes Winkelauflösungsvermögen
Großteleskope
Adaptive Optik
Erschwerte Bedingung wegen des extremen
Kontrasts: Beispiel Erde-Sonne:
Kontrast 10-10, Δm = 25 mag!
Koronagrafie
Adaptive Optik
post-processing
Weiterer Nachteil: entfernungsabhängig
Vorteile: Liefert Orbit, u.U. Größe, Temperatur,
Wolken, Atmosphäre, Bodenbeschaffenheit,
Rotation
Direkter Nachweis
Verschiedene Nachweismethoden
leiden an verschiedenen
Selektionseffekten
Erklären Sie warum die RV- und
Transit-Methoden jenseits der
gekennzeichneten Linien keine
Planeten nachweisen können und
warum diese Linien so verlaufen
Fragen? Fragen!
~4000 bestätigte Exoplaneten um ~3000 Sterne (+ 1000e Kandidaten)
Fast jeder Stern ist von mindestens einem Planeten umgeben
Ca. 20% sonnenähnlicher Sterne haben einen erdähnlichen Planeten
in der bewohnbaren Zone
Extrasolare Planeten
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