HETE JUPITERS

Grote Jupiterachtige planeten, die vlak om hun ster lopen. Kunnen die zo wel blijven

bestaan?

Reusachtige gasplaneten en

kleinere rotsplaneten

Ons planetenstelsel als voorbeeld; er zijn blijkbaar twee soorten planeten

Banen van de buitenplaneten

Voorbeeld: Jupiter en Saturnus; grote gasbollen

Banen van de binnenplaneten

Voorbeeld: Mercurius, steenachtig zonder echte

atmosfeer

Grote verschillen in omvang; kleine binnen-, grote

buitenplaneten

Omvang van Zon, Jupiter, Aarde en Maan

De aardplaneten; steenachtig; dunne of zelfs geen atmosfeer

De reuzenplaneet Jupiter: grotendeels gasvormig

De ‘Rode vlek’ met zijn wervelende omgeving bestaat al enkele eeuwen

1994: een stukgerukte komeet plonst in Jupiter

De oorzaak: komeet Shoemaker-Levy-9 was al eerder door de aantrekking van Jupiter in 21

stukken gerukt

Gasvormig met kleine rotsachtige kern (volgt uit vergelijking

omvang en massa)

Jupiter en Saturnus zijn gasplaneten met een

kleine steenachtige kern; op hun afstand tot de zon bevriest interstellair water het komt buiten de planeten dus niet in dampvorm voor

De buitenste planeten, Uranus en Neptunus zijn wat kleiner, hebben geen steenachtige kern, maar ijs komt er veel in voor; men zou ze ijsplaneten kunnen noemen

Wat dat betreft lijkt hun samenstelling op die van de buitenste gordel van kleinere lichamen, zoals Pluto

De structuur van de buitenplaneten

Ons planetenstelsel

Hoe zou het kunnen zijn ontstaan?

Bij de ster Bèta Pictoris werd een vlakke gasschijf ontdekt

En later zelfs een planeet Bèta Pictoris-b

Hoe het zou kunnen zijn ontstaan – fase 1 –een samenkrimpende

gaswolk

Tweede fase: platte schijf

Van protoplanetaire schijf tot ster met planeten

Gebeurt het echt wel zo?

De ontdekkimg van protoplanetaire schijven

Een proplyde in Orion(proplyde = protoplanetaire

schijf)

Proplyden in de Orion nevel

Nog meer proplyden Orion is een befaamd broeinest voor het

ontstaan van sterren

Protoplanetaire schijf in Orion op zijn kant gezien (1500 lj)

Een merkwaardige protoplanetaire schijf

Gecompliceerder: de Vierkante nevel

Het scenario (schijf-instabiliteit) is onderzocht

met theoretische modellen Het blijkt dat het groeiproces snel voortgaat Planeten zoals Jupiter kunnen in één of enkele

honderden miljoenen jaren ontstaan Wel blijkt baanmigratie op te zullen treden (vgl.

onze maan die ten gevolge van getijdenwerking steeds verder van de aarde komt te lopen) – dit verklaart gedeeltelijk de grote afstand van de grote buitenplaneten tot de zon

Onderzoek van het groeiproces

De speurtocht naar exoplaneten

Diverse methoden ontwikkeld

Ster en planeet lopen om het gemeenschappelijke

zwaartepunt

Eerste en meest doeltreffende methode: meting radiële snelheid

van ster

Ster verplaatst zich omdat een planeet om de ster loopt. Slechts kleine snelheden. Voorbeeld:

51 Peg

De overgangsmethode (transit)

Zwaartekracht-lens methode

De eerste exoplaneet werd ontdekt in 1995 Op 2 september 2013 waren 942 exoplaneten ontdekt Meest grote planeten, dicht bij een ster: hete Jupiters Hier speelt een zeer sterk selectie-effect Voorbeeld: de aarde loopt met 20 km/s om het

zwaartepunt van aarde en zon; dus beweegt de zon (300 000 maal meer massa) met 6 cm/sec om datzelfde zwaartepunt; dat is nu nog niet te meten

Een aardachtige planeet is dus moeilijk te ontdekken

Resultaten en beperkingen

De aarde heeft een oppervlak dat 0,0001 dat van

de zon is. Met de transit methode gaat het ook niet: eenmaal

per jaar wordt de zonnestraling gedurende ruim een uur met één-tienduizendste verzwakt

De aarde straalt ongeveer miljoen maal minder licht uit dan de zon

Zoek vanuit een afstand van vele lichtjaren naar dat zwak lichtende puntje naast de zon ….

En bovendien …

Jupiter loop in 12 jaar om het zwaartepunt van het

planetenstelsel op een afstand van 5 maal aarde-zon. De snelheid is ongeveer 15 km/sec

De zon, met ongeveer 1000 maal meer massa, loopt dan eenmaal in 12 jaar om het zwaartepunt met een snelheid van 15 m/sec. Dit is marginaal te meten: de spectrale golflengte verplaatsing is minder dan één op tien miljoen

Eenmaal in 12 jaar wordt de zonnestraling gedurende ca. drie uren met ca. 1% verzwakt

Kortom: kleine kans

Zou een buitenaardse onderzoeker ooit Jupiter kunnen ontdekken?

Enkele resultaten

Een willekeurige greep

CoRoT -1- 3b; massa 31,8 J ; straal 1,2 J; periode 4,2d; Dopplermethode

OGLE – TR – 132b; massa 1,14 J; straal 1,18 J; periode 1,69 d;

gravitatie-lens methode

HAT-P-12-b; massa 0,21 J; straal 0,96 J; periode 3,21 d;

overgangsmethode

Kepler- 5-b; massa 2,11 J; straal 1,43 J; periode 5,55 d;

overgangsmethode

Samenvattend: Boven: de minimum massa’s; onder: de halve

grote baan-as

Vergelijk lengte baan-as met excentriciteit (boven) en massa (AU

= afstand aarde – zon)

Opbouw van de hete Jupiters

We weten iets van de samenstelling dank zij spectroscopisch onderzoek.

Uit theoretisch werk komt een summier beeld van de opbouw te

voorschijn

Hoe zo, spectroscopie? Een voorbeeld: HD209458b (‘Osiris’)

trok over de ster

In het spectrum van de ster verschenen nieuwe lijnen

Zo zijn er meer exoplaneten onderzocht Voorbeeld: de planeten WASP-12b, CoRoT-2b,

XO-1b, HD 189733b Het zijn geen complete of verfijnde spectra

maar ze leren toch wel iets Zo blijkt de verhouding van hoeveelheden

koolstof (C) op zuurstof (O) ongeveer gelijk aan 1 te zijn. In het heelal is dit ca. 0,4

Besluit: moleculen zoals HCN en CO (en nog andere) moeten veel voorkomen in die planeten

Spectroscopische analyse

Tot dusverre pas onderzocht voor een hypothetische planeer

met een buitentemperatuur van 1250 K – zo’n planeet is binnenin heter

Bedenk dat H het meest voorkomt in het heelal: 90% De verschillende moleculen (vooral NH3, H2O, N2, CO2, CH4,

MgSiO3) condenseren op verschillende hoogten – zo zullen wolken van verschillende samenstelling op achtereenvolgende hoogten voorkomen. Boven de Si-laag komen wolken voor van de andere genoemde moleculen

Dit alles hangt sterk af van de temperatuur van de planeet en het verloop van de temperatuur over de diepte

Dit onderzoek staat pas in het begin; veel zal volgen

Vermoedelijke opbouw

De stabiliteit van de hete Jupiters

Kunnen ze wel blijven bestaan, zo dicht bij die hete sterren?

Waarom zien we kleine rotsplaneten op korte

afstand tot de zon en zien we de grote gasplanten op grotere afstanden

En equivalent daarmee: waarom komen de in het Universum meest voorkomende gassen (H en He, samen 99%) nauwelijks of niet voor op de binnenplaneten en wel in de grote?

Het klassieke antwoord was dan: het is de zon! Haar (ultraviolette) straling en de zonnewind

Eerst: een klassieke vraag met het klassieke

antwoord

De UV-straling van de zon splitst de moleculen in

de buitenlagen van een planeet in de afzonderlijke atomen – indien de planeet niet te ver van de zon af staat. Deze lichte atomen worden weggeblazen door de zonnewind

Dat geldt vooral voor het lichte waterstofmolecuul Zo gaat dat door tot de lichtste atomen en

moleculen van de planeet in de ruimte verdwenen zijn. Over blijft de rotsachtige kern – zo wordt het bestaan van de binnenplaneten verklaard; Jupiter staat te ver om zo beïnvloedt te worden.

De ultraviolette straling

De zonnecorona –bron van de zonnewind

Schets van de zonnewind

De zonnewind uit zich in kometen. Komeet Hale-Bopp (1997) met de gas- en

stof-staarten

Dit was/is de gangbare theorie

Maar is hij wel juist? Een opzienbarende ontwikkeling: het

H3+molecuul

Waterstof en helium, die 99% uitmaken van het

planeetgas stralen nauwelijks de opgeslagen energie uit

Als de UV-straling van de zon sterker is dan een te berekenen grenswaarde, kan dit de temperatuur van de planeet zodanig verhogen dat de planeet zelfs geheel verdampt.

Bovendien: In de jeugd van zon en planeten was de UV-straling van de zon wel honderd maal feller dan nu het geval is. Zouden dan de Jupiters wel hebben kunnen ontstaan? Zie de volgende tabel.

Hete Jupiters kunnen verdampen door UV zonne-

energie

In de ontstaansperiode van zon en planeten was de UV-straling van de

zon ca. 100 maal sterker (laatste kolom: zie later)

Een schrikwekkend voorbeeld: HD15671-b

Massa = 3 × Jupiter. Straal = 0,964 × Jupiter. Loopt om de ster vin 21,22 dagen.

Zeer excentrische baan. Periastron afstand is slechts 0,05 van

aphastron afstand. (dit zijn punten van de baan dichtst en verst van de ster)

In periastron ontvangt de planeet ca. 2500 maal meer sterstraling dan in aphastron. Wordt hij dan niet zo heet dat hij verdampt of zelfs explodeert?

Dit molecuul werd 100 jaar geleden (1911)

ontdekt door J. J. Thomson. Een wonderlijk molecuul van drie waterstofatomen waartussen twee elektronen rondkrioelen

Het werd in 1988 ontdekt in poollicht op Jupiter in 1996 in de interstellaire ruimte.

Het heeft een enorm afkoelend vermogen. Opgenomen energie van de twee elektronen en de drie atomen wordt snel uitgestraald

Redder uit de nood: het H3

+-molecuul

Twee waterstofmoleculen, waarvan een

geïoniseerd is, botsen: H2

+ + H2 -> H3+ + H

Zo ontstaat het H3+ ion

Het is zeldzaam; komt nergens meer voor dan één op miljard waterstof moleculen

Maar draagt per molecuul 10 miljoen maal sterker bij tot de afkoeling dan een H2

waterstofmolecuul

Hoe het ion ontstaat

Breng Jupiter dichter bij de zon , tot op 1 AE (=

astronomische eenheid). Hij wordt nu 27 maal sterker bestraald

Maar ook de ionisatie van het waterstofmolecuul wordt versterkt; er komen meer H2

+–moleculen en daardoor ook meer H3

+-moleculen Die stralen sterk uit en daardoor koelt de planeet af Pas wanneer we Jupiter tot op 0,16 AE zouden

brengen, zullen de H2 moleculen uiteenvallen en dan kan het H3

+-molecuul ook niet meer gevormd worden. Dan loopt de planeet gevaar.

Gedachten-experiment

De laatste kolom geeft de grens waar buiten Jupiter kon bestaan. Jupiter ontstond na 1 à 2 miljoen jaar. Kon

dus niet dichter bij de zon ontstaan dan 1,68 AE.

De planeten ontstonden in een vroeg stadium

van het leven van de zon Toen konden Jupiter, Saturnus … kortom de

grote buitenplaneten, niet ontstaan op kortere afstanden tot de zon dan een of twee AE

Daarna werden ze verder naar buiten gebracht door getijdenwerking

Op kleinere afstanden ontstonden de rotsplaneten

Probleem van ons planetenstelsel is nu ook

opgelost!

DANK!

Deze presentatie zal vanaf 19 september te lezen zijn op de website

www.cdejager.comGa naar ‘presentaties’ en daar naar

‘8-hete-Jupiters’