Exoplaneten

Jos Loonen, 24 nov 2014

Vertrekpunt

• ons planetenstelsel bestaat

• ons planetenstelsel is het enige dat we kennen

Rechtstreeks planeten waarnemen?

• de zon is miljarden malen helderder dan een planeet • helderheid zon zou op 10 pc (33 lj) 5m zijn, planeet 27m • een planeet zou op die

afstand in de grootste kijkers op zichzelf nèt zichtbaar kunnen zijn,

• ware het niet dat de zon hem volledig overstraalt (HST scheidend vermogen 0,06”, maar planeet op plek Cen B (op 18”) zou toch onzichtbaar zijn)

dus:

zoeken naar andere wegen

Rechtstreeks planeten waarnemen?

Indirect: via de baanbeweging

Een ster en een planeet bewegen in banen om elkaar, eigenlijk: om hun gezamenlijk zwaartepunt.

Wordt bij planeten, dubbelsterren, manen gebruikt om massa’s te bepalen.

De planeet zie je niet. Maar zou de kleine ‘wobble’van de centrale ster meetbaar zijn?

De grootte van de golf zegt iets van de massa van de onzichtbare planeet.

Astrometrische methode we meten de kleine waggel die gevolg is van beweging vanster en planeet om gezamenlijk massamiddelpunt.

1963: Peter van de Kamp, Sproul Observatory, Philadelphia, 24” refractor: planeet bij Barnard’s ster (6 lj afstand)

Barnards ster: afstand 6 lj, massa 0,16 Mz

46 jaar waarnemingen, 2400 beelden Planeet: massa 1,6 MJ afstand 4,5 AE, omlooptijd 26 jaar, waggel was 24,5 milliboogseconde, later nog tweede planeet

Maar: 1973: twijfel aan resultaten, bewijsmateriaal verdampt We kunnen nu verplaatsingen van 0,1 – 1 mas meten (vgl. Zon en Jupiter 0,6 mas op 10 pc), maar nog geen enkele planeet astrometrisch gevonden.

Alternatief: Doppler-methode

Principe kennen we van geluid

Het geldt evenzeer voor lichtgolven: bron naar ons toe golven korter = blauwer bron van ons af golven langer = roder

We zien die verschuiving in het spectrum aan de spectraallijnen. Bij dubbelster: periodieke bewegingen van de spectraallijnen in het spectrum van de ster.

Noodzakelijk: we moeten scheef tegen de baan van de ster aankijken (er moet beweging in de gezichtslijn zijn, radieel)

Ster met planeet

Dopplermethode: Meting van de radiële snel-heidscurve die het gevolg is van de beweging van ster en planeet om hun gezamenlijk massa- middelpunt.

• methode is onafhankelijk van afstand

• lichte ster, massa planeet groot, afstand klein

• ideaal is edge-on, maar dat weten we niet: helling onbekend massa’s ondergrenzen

Beweging van de zon door Jupiter: 12,5 m/s Als Jupiter op plaats aarde stond: 60 m/s Dat kunnen we meten! Nauwkeurigheid in 1980: ca 15 m/s, rond 2000: 1 m/s

Vanaf 1980 verschillende claims, meestal ontzenuwd De allereerste was in 1988 David Latham meet HD 114762 (1 Mz) Begeleider: 11 MJ

84 dagen excentrische baan, amplitude 600 m/s Controversieel: Is dit wel een planeet? (maar: in 1998 erkend)

Ook 1988 Bruce Campbell, G. Walker en S. Yang (Canada) meten gamma Cephei (1,4 Mz, zelf dubbel) Begeleider: 1,6 MJ, 902 dagen, 2 AE

Controversieel: in 1992 ingetrokken (maar: in 2003 erkend)

Verschillende teams zijn vanaf de 80-er jaren aan het werk, met steeds nauwkeuriger spectrometers: • Geoffrey Marcy en Paul Butler,

Lick Obs. • Bruce Campbell en

Gordon Walker, Canada

• Michel Mayor en Antoine Duquennoy, later Didier Queloz, Genève

Tot in de 90’er jaren geen succes. En dan ineens …

Pulsarplaneten

Januari 1992: Andrew Wolszczan en David Frail melden planeten bij een pulsar PSR 1257+12 (op 2630 lj) Een pulsar is een snel flitsend (6,2 ms) overblijfsel van een ster, niet groter dan enkele kilometers. De ontdekking gebeurde aan de hand van variaties in de pulsperiode.

Ze vinden 2 planeten: • 0,36 AE 79 d 3,4 MA

• 0,47 AE 118 d 2,8 MA en later (1994) nog: • 0,19 AE 25 d 0,02 MA

Who ordered that?

September 1995: de eerste gewone planeet

Michel Mayor en Didier Queloz, Genève. Ze vinden:

Spectroscoop ELODIE, 1,9 m kijker Haute Provence, nauwk. 13 m/s Meten sinds 2 jaar aan 142 G- en K-sterren.

51 Pegasi Ster 45 lichtjaar, G3 V, 0,95 Mz

Planeet 4,23 dagen, cirkelbaan, 0,05 AE, 0,47 MJ (min)

Na 2 weken bevestigd (Marcy/Butler). Geen variabiliteit (<0,02 m), geen vlekken (want rotatie 51 Peg is 30 d).

Bellerophon, een hete Jupiter > 1000 K

Januari 1996: Marcy en Butler volgen

Geoffrey Marcy en Paul Butler 3 m telescoop van Lick Observatory, San Francisco Grotere nauwkeurigheid (3 m/s) Al veel langer bezig (sinds 1988)

Programma van 120 sterren, 60 nu snel geanalyseerd: levert 2 planeten op

47 Ursae Majoris

Ster: 45 lj G0 V 1,1 Mz

Planeet: 3 jaar 2,1 AE cirkelbaan 2,4 MJ

een tussen-Jupiter

70 Virginis

Ster: 60 lj G5 V 1,0 Mz

Planeet: 117 dagen 0,43 AE exc. 0,4 6,6 MJ

Weer: is dit wel een planeet?

Tussenbalans 1996

• indianen-astronomie • grote verschillen met ons stelsel:

• eenzame planeten • zware planeten • pulsarplaneten • ongewone banen - hete Jupiters - eccentrische super- Jupiters

• bezinnen op de theorie

Leeftijd van zon en planeten is ongeveer gelijk, dus planeetvorming = bijproduct stervorming Neveltheorie (vanaf Kant-Laplace): sterren en planeten vormen zich uit interstellair gas = het standaardmodel

Grote molekuulwolken: (typisch 200 lj, 10 miljoen zonsmassa’s), gas, bevat 1% stof (silicaten, ijs, 0,1 μ) Heldere nevels zijn de oplichtende randen ervan Sterren vormen zich door de instorting (collaps) van delen van grote gaswolken onder invloed van de zwaartekracht Meervoudige systemen door fragmentatie tijdens de collaps. Vroege fragmentatie levert open sterhopen.

Samentrekkende nevel wordt ondoorzichtig door stof

Samentrekkende nevel wordt ondoorzichtig door stof Bij verdere contractie stijgen temperatuur en hoekmoment: roterend, afgeplat systeem, IR-straler = protoplanetaire schijf, proplyde

Samentrekkende nevel wordt ondoorzichtig door stof Bij verdere contractie stijgen temperatuur en hoekmoment: roterend, afgeplat systeem, IR-straler = protoplanetaire schijf, proplyde

In het midden de protoster, steeds heter en groter.

Samentrekkende nevel wordt ondoorzichtig door stof Bij verdere contractie stijgen temperatuur en hoekmoment: roterend, afgeplat systeem, IR-straler = protoplanetaire schijf, proplyde

In het midden de protoster, steeds heter en groter.

Bij jonge sterren vaak nog restanten van de protoplanetaire schijf.

β Pic, afstand 60 lj Andere: o.m. Wega, Fomalhaut

Protoplanetaire schijf

IRAS 1983

Fomalhaut, HST, 230 AE, 2005 HD 4796A, 2 μ, 2000

V390 Vel, VLT, 2007

Processen in de disk: planeetvorming

Planeten groeien door tot huidige grootte, 100 miljoen jaar Heavy bombardment: nog 700 miljoen jaar

Protoster met gasschijf, trekt samen tot accretieschijf 100 AE, condensatie stof-grains (metalen, silicaten, ijzen) Stofcoagulatie door botsingen, tot 1 km-niveau, planetesimals, 50.000 jaar

Doorgroei tot planeetembryo’s (0,1 planeet), 1 tot 10 miljoen jaar

Verdere langzame (binnen) of explosieve (buiten) groei, tot ½ huidige grootte, 10 miljoen jaar. Ster ontbrandt en blaast gas/stof weg.

6 nov 2014: protoplanetaire schijf rond HL Tau, jonge ster (1 miljoen jaar) op 450 lj. Gebied net zo groot als ons planetenstelsel ALMA Atacama sub-mm

Standaardmodel

planeten: • vormen uit de disk • cirkelbanen • verdeling als in zonnestelsel

dubbelsterren: • vormen uit de wolk • excentrische banen

De speurtocht naar bruine dwergen

boven 80 MJ = 0,08 Mz: rode dwergen Kleinste echte sterren, waterstoffusie Daaronder start waterstoffusie niet, maar zulke ‘sterren’ ontstaan wel: bruine dwergen. 50-80 MJ nog wel fusie tot lithium 13-50 MJ korte deuteriumverbranding Dwergen koelen daarna langzaam af. 8-13 MJ grijs gebied: bruine dwergen? planeten? < 8 MJ planeten

1995 Gliese 229B

19 lj, afstand AB = 44 AE A: rode dwerg B: 1/100.000 helderheid zon, 600 – 1000 K, ca. 50 MJ

spectrum met methaanbanden en waterlijn

Palomar

19 september 2003: Dichtstbijzijnde bruine dwerg is begeleider van ε Ind (11,8 lj). Al in 2002 ontdekt. Blijkt nu dubbel te zijn: 47 en 28 MJ (0,73”).

15 juni 2004: Dubbele bruine dwerg ‘gewogen’: Massa’s van 85 en 66 MJ , 2,5 AE, 10 jaar Afstand 40 lj, onderlinge afstand 0,13 – 0,22”.

2010/2011: Koelste dubbele bruine dwerg CFBDSIR 1458+10: massa’s van 11 en 6 MJ , 20 jaar Afstand 104 lj 210 en 100 °C 21m en 22m

Keck 2

2013: Dubbele bruine dwerg Luhman 16 ontdekt, 6,6 lj afstand Luhman 16B vertoont lichtwisselingen die kartering van het oppervlak mogelijk maken. 16 dec 2013: met VLT ook verstoringen ontdekt die wijzen op een planeet

We kennen nu duizenden bruine dwergen Verwachting: meest voorkomende object in heelal

Bruine dwerg heeft andere samenstelling dan planeet, ander ontstaan, maar dat is niet zichtbaar. Wel: • er zijn meer sterachtige L-dwergen, > 1300 °C • en meer gasreusachtige T- en Y-dwergen, < 1300 °C • excentrische baan • allemaal vrijwel even groot

1992 PSR 1257+12, 2300 lj 3 planeten ordegrootte 1 MA

Millisecondepulsars, T < 0,01 s vormen in dubbelstersysteem • pulsar blijft over van zwaarste ster • lichtste ster wordt rode reus • verliest materiaal, vormt disk om

pulsar

Blijkbaar ontstaan planeten als ze kunnen!

De speurtocht naar pulsarplaneten

10 juli 2003 PSR B1620-26 in bolhoop M4 10.000 lj, dubbelsysteem pulsar - wd, planeet 2,5 MJ op 23 AE, 13 miljard jaar oud

Methusalah

De eerste 10 (alle in 1995 en 1996):

51 Peg 45 G3V 4,23 0,05 0 >0,47

47 UMa 45 G0V 3 jr 2,1 0 >2,4

70 Vir 60 G5V 117 0,43 0,4 >6,6

rho1 Cnc A 44 G8V 14,6 0,11 0 >0,84

tau Boo A 49 F7V 3,3 0,05 0 >3,87

ups And 54 F8V 4,6 0,06 0 >0,68

16 Cyg B 72 G2V 800 1,6 0,6 >1,5

rho CrB 57 G0V 39,6 0,23 0 >1,1

HD 114762 91 F9V 88 0,3 0,3 >11

Gliese 876 4,7 M4V 61 0,21 0,1 >1,89

d Sp P r e M

(pc) (d) (AE) (MJ)

De speurtocht naar gewone planeten

De eerste 10 (alle in 1995 en 1996):

51 Peg 45 G3V 4,23 0,05 0 >0,47

47 UMa 45 G0V 3 jr 2,1 0 >2,4

70 Vir 60 G5V 117 0,43 0,4 >6,6

rho1 Cnc A 44 G8V 14,6 0,11 0 >0,84

tau Boo A 49 F7V 3,3 0,05 0 >3,87

ups And 54 F8V 4,6 0,06 0 >0,68

16 Cyg B 72 G2V 800 1,6 0,6 >1,5

rho CrB 57 G0V 39,6 0,23 0 >1,1

HD 114762 91 F9V 88 0,3 0,3 >11

Gliese 876 4,7 M4V 61 0,21 0,1 >1,89

d Sp P r e M

(pc) (d) (AE) (MJ)

De speurtocht naar gewone planeten

Nieuwe ontdekkingsmethoden: transits

Meten van de helderheidsvermindering als planeet vóór ster langs gaat. Vereist dat we edge-on tegen baan aankijken.

Jupiter 1-2% Aarde 0,0084% Tot 0,1% is meetbaar, maar: monnikenwerk. Dus zeer veel objecten onderzoeken.

Eerste ontdekking: HD 209458 valt in herfst 1999 2% in helderheid terug (Henry): inclinatie 85°, 0,045 AE, periode 3,5 d. Iets eerder onafhankelijk ontdekt door Marcy (rad. snelh.). Marcy vindt (minimum)massa 0,69 MJ.

Bottleneck blijft de bevestiging door rad. snelheidsmeting. Wel: juiste massa. Honderden planeten ontdekt. Overmaat aan hete planeten (want afstand ster klein). Bekendste project is Kepler (2009 - 2013), andere: HAT, TrES, WASP, CoRoT (2006-2013). In mei 2014 groen licht voor Kepler2: beperkte voortzetting missie.

Nieuwe ontdekkingsmethoden: microlensing

Licht van een verre bron wordt gefocusseerd door de gravitatie van een tussenliggende ster plus planeet. Focussering: de verre bron wordt helderder, fotometrisch vaststellen. Geen follow-up mogelijk.

Een microlensing event duurt 10 – 30 uur. Ster: typisch dagen, planeet: typisch uren. Opnieuw: monnikenwerk.

OGLE

alert

Grote programma’s gestart in 90’er jaren: OGLE, MACHO, MOA. Tiental planeten gevonden. Ook gevoelig voor aardachtige planeten. Vaak op grote afstand. Eerste was: OGLE 2003-BLG-235

Nieuwe ontdekkingsmethoden: direct imaging

Probleem: helderheidsverschil (factor miljard) ster en planeet. In IR is dat factor miljoen. Je ziet daar ook jongere, hetere planeten.

Geholpen door techniek: • Intelligente optiek (adaptive

optics) • Blokkeren centrale gloed

(coronagraaf, nulling interferometrie)

Eerste ontdekking 2004 bij bruine dwerg: 2M1207 (26 MJ, 170 lj) heeft begeleider op 41 AE, 5 MJ

Ontdekkingen door imaging: Fomalhaut

13 november 2008 HST planeet 3 MJ op 115 AE, 872 jr rond Fomalhaut 25 lj, A3 V, 2 Mz

Ontdekkingen door imaging: Fomalhaut

13 november 2008 HST planeet 3 MJ op 115 AE, 872 jr rond Fomalhaut 25 lj, A3 V, 2 Mz

2013: Fomalhaut is 3-voudig, en ook Fomalhaut C heeft een disk. C staat bijna 7⁰ van A af.

Een heel nest: HR 8799

13 november 2008 Keck planeten 7 MJ op 68 AE 10 MJ op 38 AE 10 MJ op 24 AE rond HR 8799 140 lj, A5 V, 1,5 Mz

13 jan 2010 Eerste directe spectrum

Een heel nest: HR 8799

13 november 2008 Keck planeten 7 MJ op 68 AE 10 MJ op 38 AE 10 MJ op 24 AE rond HR 8799 140 lj, A5 V, 1,5 Mz

13 jan 2010 Eerste directe spectrum

Ontdekkingen door imaging: beta Pictoris

21 november 2008 ESO planeet 8 MJ op 8 AE, 15 jr rond beta Pic 60 lj, A6 V, 1,8 Mz

Ontdekkingen door imaging: beta Pictoris

21 november 2008 ESO planeet 8 MJ op 8 AE, 15 jr rond beta Pic 60 lj, A6 V, 1,8 Mz

10 jun 2010: beweging van planeet (2003 – 2010) bevestigd

Ontdekkingen door imaging: beta Pictoris

21 november 2008 ESO planeet 8 MJ op 8 AE, 15 jr rond beta Pic 60 lj, A6 V, 1,8 Mz

10 jun 2010: beweging van planeet (2003 – 2010) bevestigd

15 mei 2014: opname van VLT; 30 apr 2014: rotatiesnelheid 25 km/s

24 november 2014: 1160 sterren met 1850 planeten

• meeste ontdekt via transits: 1163, vooral Kepler • op 26 febr 2014 715 tegelijk! • verder rad. snelheid 582, imaging 51, microlensing 33, andere methoden 21 • alle in ons melkwegstelsel

51 Pegasi-planeten: hete Jupiters • gasreuzen die buiten de sneeuwlijn zijn gevormd en naar binnen

gemigreerd. Theorie al door Douglas Lin in 1982 • visceuze wrijving met diskmateriaal, verlies hoekmoment, spiraal naar

binnen • planeet stopt als hij centrale lege ruimte bereikt, òf als disk wordt

weggeblazen • cirkelbanen

47 UMa-planeten: intermediate Jupiters

• Mercurius- tot planetoïden-afstand • cirkelbanen • migratie gestopt door verdamping van de disk of gat erin

70 Vir-planeten: super-Jupiters, massive excentrics

• zeer massieve planeten, excentrische banen • of: gravitatie-scattering: tussen 2 planeten, een verdwijnt, ander

wordt zeer excentrisch, of: bruine dwergen?

The exoplanet zoo Planeten rond dubbelsterren

De ‘eerste’ was (1996) 16 Cyg B (op 70 lj, wijd systeem 750 AE, planeet 1,69 MJ op 1,67 AE). Intussen meer dan 100 bekend. Men schat dat tot wel de helft van de exoplaneet-sterren dubbel is.

4 augustus 2005: planeet in drievoudig systeem

HD 188753, K0-ster op 150 lj. Planeet 1,14 MJ op 0,045 AE. Dubbelcomponent op 12,3 AE. Intussen tiental bekend.

15 oktober 2012: zelfs een 4-voudig systeem: Kepler 64

Ook 17 circumbinaire planeten:

de planeet draait in verre baan om 2 of 3 sterren. Bijvoorbeeld 29 aug 2012 Kepler 47, 5000 lj, 2 planeten omlooptijden 49 en 303 d (de sterren draaien om elkaar in 7 d)

Meervoudige systemen upsilon Andromedae: een echt, stabiel, viervoudig stelsel (b 1995, c en d 1999, e 2010)

Nu 472 meervoudige stelsels bekend: HD 10180, Kepler 90: 7 planeten HD 40307, Kepler 11: 6 planeten verder: 15 met 5 planeten en 39 met 4

HD 10180: 7 planeten, misschien 9, 2010 – 2012, 127 lj

Kepler 90, 30 okt 2013, 7 planeten, 2500 lj

Planeten bij reuzensterren 8 januari 2002 eerste planeet rond rode reus: iota Draconis. Planeet: 1,34 AE, 1,5 jaar, > 8,4 MJ, e = 0,71

Intussen ruim 60 gevallen bekend. In enkele gevallen (HD 47536, 2003 en HD 102272, 2008) is de opslokking zeer nabij.

HD 102272, 6 MJ, 90 mln km

Planeten bij dwergen Bij rode dwerg: 1998 Gliese 876, M4 Bij witte dwerg: 2007 GD66 Bij bruine dwerg: 2004 2M1207, eerste ontdekt door direct imaging

Planeetatmosferen HD 209458b was de eerste planeet ontdekt met de transitmethode (herfst 1999). Op 27 november 2001 ontdekt Charbonneau met HST bij een overgang natriumlijnen in de atmosfeer van HD 209458b (Osiris). Komen overeen met temperatuur ca. 1350 K. Later ontdekking waterstofstaart, zuurstof en koolstof.

Op 21 februari 2007 slaagt Spitzer erin infrarode spectra op te nemen van HD 209458 en HD 189733. 2007 – 2009: bij beide waterdamp, methaan, koolstofdioxide gevonden. Sindsdien veel meer waarnemingen van atmosferen door zichtbare en IR-spectra.

Kepler 70b: 22 dec 2011, 0,008 AE, 1 mln km!, 5,7 uur, meer dan 7000 K

HD 172555, 10 aug 2009, 100 lj

Zonscheerders

Schijngestalten, oppervlaktedetails?

2006, upsilon And, Spitzer 2007, HD 189733, Spitzer 2009 CoRoT-1b (2007)

Steeds nauwkeuriger metingen • We vinden ‘koudere’ Jupiters: verder van hun zon, op normalere afstanden:

snelheden lager, periodes langer. Bv. (14 febr 2008) OGLE-06-BLG-109L met een ‘Jupiter’ + ‘Saturnus’ (0,71 en 0,27 MJ op 2,3 en 4,6 AE) Zelfs zeer verre planeten: HD 106906b, 11 MJ op 650 AE, 1500 ⁰C, 5 dec 2013 GU Piscium: 12 MJ op 2000 AE, 800 ⁰C, beide IR-stralers, 13 mei 2014

• We vinden kleinere planeten: ‘Saturnussen’ en ‘Neptunussen’ Maart 2000 voor het eerst Saturnus-massa-planeten: bv. bij HD 16141 (0,22 MJ) Augustus 2004 planeten van Neptunus-afmetingen: bv. bij μ Arae (3e planeet, 0,04 MJ =14 MA)

En aardes? …. bijna

13 juni 2005 Gliese 876, M4-dwerg op 15 lj, 0,3 MZ

Drie planeten: 1,94 MJ en 0,56 MJ op 0,21 en 0,13 AE

En op 13 juni 2005: 3e planeet 0,025 MJ = 7,5 MA op 0,021 AE: superaarde

Meer superaardes 21 april 2009: Gliese 581, op 20,5 lj, 0,3 MZ 4e planeet gevonden op 0,03 AE, 1,9 MA

Kleine, hete aardes 21 dec 2011: KOI-55b en c, bij een kleine subdwerg op 4000 lj, 0,2 Mz

Planeet op 0,06 AE, 0,44 MA 10 jan 2012: Kepler 42, rode dwerg, 0,3 MZ 2 planeten 2,06 en 2,73 MA op 0,006 en 0,012 AE. Derde 0,9 MA op 0,015 AE

Kepler 42

Onze buurvrouw

17 okt 2012: planeet bij α Cen B: K1-ster, 4,4 lj, 0,9 Mz

De planeet staat op 0,04 AE, 3,2 d, 1,13 MA

Levensvatbaar? 18 april 2013: planeten bij Kepler 62, 0,7 MZ, op 1200 lj 62e en 62f (40% en 60% groter dan de aarde), staan op 0,4 en 0,7 AE van ster.

25 juni 2013: Gliese 667C-systeem 6 planeten bij Gliese 667C (op 22 lj, 0,3 MZ) Massa’s 2 tot 6 MA op 0,05 – 0,5 AE.

In bewoonbare zone? (Goldilocks-zone)

Maar: meeste aardachtige planeten buiten deze zone

Habitable Planets Catalog Bewoonbaarheidsindex > 0,8 wordt als uiterst kansrijk beschouwd. Massa’s van deze planeten zijn 2,7MA tot 10 MA

NASA ‘s planet hunting roadmap

en tenslotte een andere aarde?

Op dit moment lijkt 40 - 50% van de zonachtige sterren grote planeten te hebben. Gewone planeten zijn waarschijnlijk net zo algemeen (laatste schatting: 20% heeft aardachtige planeet in gematigde zone). Het wachten is op echte aardes …

Doe voorzichtig, dan maakt u het mee