Exoplaneten cursus 24jan2011

1

25-1-2011 Exoplaneten, cursus Winsum 1

Astronomie CursusHet Jacobijnenhuis

Winsum, jan-mrt 2011:

- Exoplaneten -

Paul Wesselius, 24 januari 2011


Inhoud

1. Leven buiten de Aarde?

2. De vergelijking van Drake

3. Exoplaneten opsporen

4. Science fiction

5. Leven op exoplaneten?

6. Ruimtemissies om exoplaneten te vinden


Achtergrond Informatie

• Hallo is daar iemand, Govert Schilling, CD luistercollege, Luisterwijs,

• Cosmic Company, The search for Life in the Universe, Seth Shostak & Alex Barnett, Cambridge University Press, 2003

• The Extraterrestrial Debate 1750 – 1900, M.J.Crowe, Dover, New York

• Intelligent Life in Space, F. Drake, MacMillan, New York, 1962

• An Introduction to Astrobiology, Iain Gilmore en Mark Sephton, Cambridge University Press, 2003

• Diverse websites: http://exoplanet.eu/; http://www.planetary.org/home/; http://planetquest.jpl.nasa.gov/index.cfm; http://wps.aw.com/aw_bennett_liu_2/;


Leven buiten

de Aarde?

25-1-2011 Exoplaneten, cursus Winsum 5 25-1-2011 Exoplaneten, cursus Winsum 6

Fantasie-buitenaardse wezens lijken vaak op mensen

2


Seth Shostak werkt bij het SETI instituut in Mountain View, Californië.

SETI luistert naar de radio signalen van mogelijke buitenaardse intelligenties

Seth meent dat we naar intelligente robots moeten uitkijken


Flammarion

Flammarion schreef veel populaire werken over astronomie, o.a. Astronomie populaire in 1925:hij had het ook over buitenaardse wezens


2. De vergelijking van Drake


Hoeveel intelligente beschavingen zijn er?

De vergelijking van Drake (1961) in verkorte vorm:

Aantal beschavingen = NLP x fleven x fciv x fnu

NLP = aantal bewoonbare

planeten

fleven = fractie planeten

met leven

fciv = fractie planeten

met beschaving

fnu = fractie met nog

bestaande beschavingen

Drake bespreekt zijn vergelijking; uit de Christian Science Monitor van 16/8/10


Onderzoek naar deze vragen?

1. Aantal planeten: Sterrenkunde

2. Fractie met leven: Astrobiologie

3. Fractie met beschaving: Biologie/Sociologie

4. Nog bestaande beschavingen: Sociologie

• Astronomen zullen vraag 1 binnen 10 jaar beantwoord hebben. Ze zijn al een heel eind op weg --- sinds 1995!!

• De nieuwe wetenschapstak ‘Astrobiologie’ is de laatste 10-15 jaar opgebloeid. Eén van de hamvragen is: wat is leven eigenlijk?

• Antwoord op beide laatste vragen is nog ver weg. Science fiction geeft wellicht wat mogelijkheden aan.


Sterrenkunde factor van Drake vergelijking

• NLP = Rs x fp x n• Rs = stervormingssnelheid

• fp = fractie van deze sterren met planeten

• n = aantal aardachtige planeten per zonnestelsel

• Rs is makkelijk uit te rekenen. Dat doen we in slide 16.

• Sinds 1995 is het bekend dat er planeten rond andere sterren bestaan; eerder niet!!!

• Vele honderden astronomen en technici (ontwerpen en bouwen de instrumenten) zijn met dit onderwerp bezig.

• Hoeveel planetenstelsels er bestaan en hoeveel aardachtige planeten er zijn zal – naar mijn optimistische schatting – in de komende 10-20 jaar bekend worden

3


Astrobiologie

• Om vraag 2 te kunnen beantwoorden is een nieuwe wetenschap ontstaan: astrobiologie, bestaande uit astronomie, biologie, fysische geografie, atmosfeer fysica.

• De astrobiologie moet (o.a.) de volgende vragen beantwoorden:

o Wat is leven?

o Welke planeten zijn geschikt voor – eencellig – leven?

o Hoe vind je (eencellig) leven op geschikte planeten?

o Welke (aardachtige?) planeten zouden geschikt zijn voor meercellige wezens?

• In hoofdstuk 5 gaan we uitvoeriger in op de kennis die reeds verworven is door de astrobiologie


Biologie - Sociologie

• Iets zinnigs zeggen over de laatste 2 vragen van Drake is moeilijk. Daar wordt wel al sinds lange tijd over nagedacht.

• Een paar voorbeelden:

o In 1277 zei de bisschop van Parijs, Etienne Tempier, dat God meerdere werelden geschapen moet hebben; anders zou Zijn macht wel heel beperkt zijn!

o Giordano Bruno (2e helft 16e eeuw) geloofde in vele Zonnen met vele bewoonde planeten.

o De geestelijke Thomas Dick zei in 1837 dat er 22 miljard intelligente wezens voorkwamen in het heelal

o Camille Flammarion, midden 19e eeuw, beschreef allerlei soorten buitenaardse ‘mensen’: met meer zintuigen, andere sexen, onsterfelijk, enz.


Fermi paradox

• De natuurkundige Enrico Fermi zei: Als er veel intelligent leven in de melkweg zit, waarom melden ze zich dan niet?

• Mogelijke oplossingen van deze paradox:

o Ze zijn er niet; dan zou de mensheid uniek zijn in het universum

o We zien ze niet; dat vind ik heel plausibel; we zoeken eigenlijk naar andere mensen en is dat wel juist

o Zij bestuderen ons zonder dat we dat merken; de mensheid is een nieuwkomer met de vereiste technologie voor communicatie; als er anderen zijn met een vergelijkbare technologie zullen die veel verder gevorderd zijn

o Shostak heeft gelijk: er zijn alleen intelligente robots


Hoeveel sterren worden er geboren per jaar?

• Heelal bestaat precies 13,7 miljard jaar

• Na ongeveer 1 miljard jaar ontstonden er melkwegstelsels

• ‘Onze’ Melkweg ontstond wellicht 10 miljard jaar geleden

• Het aantal sterren in onze Melkweg is ongeveer 300 miljard

• Dus: 300 miljard sterren gevormd in 10 miljard jaar; dat betekent gemiddeld zo’n 30 per jaar

• Tegenwoordig worden er minder sterren gevormd dan in het verleden: 7 per jaar


3. Exoplaneten opsporen


(Geringe) beweging centrale ster door planeet

• Heel belangrijk voor ontdekking exoplaneten is dat planeten niet echt om hun ‘Zon’ draaien, maar dat ster + planeet draaien rond een gemeenschappelijk massa zwaartepunt.

• Aarde-Zon zwaartepunt ligt op 450 km van het centrum van de Zon. Deze heeft een straal van 700.000 km.

• Het is dus een heel goede benadering om te zeggen dat Aarde rond de Zon draait.

• Alleen Jupiter en de Zon draaien om een massa zwaartepunt net buiten de Zon (740.000 km).

• Deze ‘reflex’ ster beweging – meestal zeer gering – vinden is de eerst toegepaste techniek

• In het bijbehorende tekst document verricht ik enige berekeningen, die wellicht sommigen onder u kunnen bekoren.

4


De ontdekkers en hun mededingers

De ontdekkers van een planeet om 51 Peg in 1995: Michel Mayor en Didier Queloz

Geoff Marcy en Paul Butler zochten naar ‘Jupiters’ met omloopperioden van enkele jaren

Mayor en Marcy kregen in 2005 de ‘Shaw’ prijs van 1 million $ in Hongkong


De ontdekte planeet om de ster 51 Pegasi

Fase

Snelheid


51 Pegasi-b t.o.v. de Aarde

51 Pegasi-b


Exoplaneten vinden

Een planeet kan gevonden worden door:

• De minimale beweging van zijn moederster: doe zeer nauwkeurige snelheids of aankomsttijd metingen:

o De snelheidscomponenten naar ons toe en van ons weg: ‘Doppler effect’

o De snelheidscomponenten in het hemelvlak: ‘astrometrie’,

o Aankomsttijden van pulsar signalen

• Rechtstreekse meting van de weerkaatste straling

• Planeet trekt voor moederster langs: moederster wordt regelmatig een heel klein beetje zwakker

• Licht van ‘verre’ ster kan door ster dichterbij – exact op zijn pad – versterkt worden; planeet kan extra versterken gedurende een paar dagen: gravitatielens


Gevonden exoplaneten per 24 jan 2011

518 exoplaneten gevonden op 24 januari 2011:

• 483 planeten door regelmatige bewegingen van de moederster te registreren,

• 10 planeten rond pulsars

• 14 planeten door een plaatje te maken,

• 114 planeten, doordat de moederster een beetje verduisterd werd door een planeet die er over heen beweegt

• 11 planeten door tijdelijke sterflux toename, veroorzaakt door gravitationele lens

• De som is groter dan 518 omdat diverse planeten door verschillende meetmethodes zijn gevonden.


Doppler effect

Doppler formule:∆λ/λ = v/c

Bekend van geluid: langskomende trein

Doppler verschuiving door ster beweging

Onzichtbare planeet

5


Doppler effect

Periodiek Doppler effect door baanbeweging ⇒ radiele snelheidskromme


Bewegingen en Radiele snelheden Zon


MZ van zonnestelsel beweegt doordat de planeten van plaats veranderen


Doe directe waarnemingen in het infrarood

infrarood

1 miljard

1 miljoen

Zon

Aarde


Planeten vinden bij een ster is als een vuurvliegjezien bij een vuurtoren


Het vuurvliegje

6


‘Foto’ van een planeet


Planeet ‘verduistert’ ster


Planeet trekt over HD209458 (Hubble Space Telescope )

Enormenauwkeurigheid


HD 209458 en zijn planeet

De planeet loopt in 3,5 dagen rond zijn ster;is 6100 K warm;is 1,3 keer zo groot als Jupiter, maar weegt 0,66 Mjup;

De planeet verdampt


Overgang Venus over Zon op 8 juni 2004

Juan Carlos Casado nam deze foto in Barcelona.

Slechts 0,1 % van de Zon is verduisterd.

Volgende overgang op 6 juni 2012; daarna pas weer op 11 dec 2117.


Gravitatielens versterking

7


4. Science fiction


Zie: gamespot.com

Een fantasie-stad op een exoplaneet


Ursula Le Guin

• Sociologische verkenningen

• Alle ‘mensen’ hermafrodiet

• Een echte communistische maatschappij zonder corruptie

• Eenvoudig in een bos leven zonder gebruik te maken van de technologie

• Aarde teruggevallen tot barbarisme

• Hoofdthema: ook op andere planeten leven ‘mensen’ met wat andere eigenschappen


Zie: gamespot.com

Fantasie reizen door de ruimte


Isaac Asimov

• Ontwikkeling van robots

• Robothersens zo geprogrammeerd dat de robots altijd de mens blijven respecteren

• Ontwikkeling van leven op andere planeten, met veel robots, mensen leven ver van elkaar, worden 400 jaar oud, alles steriel

• Buiten de tijd leven en de geschiedenis ‘repareren’: kleine aanpassingen kunnen grote gevolgen hebben

• De ‘Foundation’ boeken, psychogeschiedenis: voorspellen van gebeurtenissen van heel grote groepen; First en Second Foundation als er toch iets mis gaat


Een robot van Asimov

8


Diverse auteurs

• Hoyle: een passerende interstellaire wolk heeft intelligentie

• Arthur Clark: reis naar andere planeten met ingevroren bevruchte eieren; robots broeden die uit als er een aardige planeet lijkt aan te komen

• Arthur Clark: 2001: A Space Odyssey: gevecht tussen mens en intelligente onboard computer

• Orson Scott Card: Ender’s Game: volgens een Top 100 lijst de beste science fiction roman; gevechten met de Formics, een insecten ras van elders; nogal gewelddadig

• Frank Herbert: Dune; thema: door extreme ontberingen leer je goed vechten; zal wellicht waar zijn

• Douglas Adams: Hitchhiker’s guide to the Galaxy: wegens de reislust van de melkwegbewoners moet de Aarde verwoest worden: een melkweg-vierbaansweg moet daar liggen


Een zandworm in Dune


Peter Hamilton

• Hoofdthema’s: eeuwige leven, reizen door de ruimte sneller dan het licht via wormgaten, allerlei andere melkwegbewoners tegenkomen

• Duidelijke evolutie bij Hamilton zelf

• Andere intelligente wezens zien er heel anders uit en denken heel anders, meestal onbegrijpelijk

• Veel natuurkunde die we nog niet kennen is mogelijk: b.v. een ster tot een nova uitbarsting brengen

• Als een mens lang genoeg geleefd hij kan hij opgenomen worden in een collectief bewustzijn; dat bewustzijn is de eigenlijke heerser over de wereld

• Soort volk vergelijkbaar met mieren. Werkers denken nauwelijks zelf, koloniseren werelden en verwoesten daar alles wat ze niet nodig hebben.


2 boekomslagen van Hamilton

Uitbuiten van koloniesCentrum MW slokt melkweg op


5. Leven op exoplaneten?


Bewoonbare Zone van ons eigen zonnestelsel

Aarde

Zie: http://www.star.le.ac.uk/edu/Extrasolar.shtml

9


Bewoonbare zones

Zie: atoc.colorado.edu/.../2007/04/gliese581c.jpg


Ook de Melkweg stelt zijn grenzen

Zie: www.centauri-dreams.org/?p=428

Pas geboren: benodigde zware metalen alleen in centrum, maar daar veel supernovae ⇒ gevaarlijk (rood)

In later leven van een Melkweg ontstaat er een groene zone met genoeg zware metalen, weinig supernovae en genoeg afstand tussen de sterren


Biologische factoren

• Voorwaarden voor leven:

o Elementen zoals H, C, N, O

o Vloeibaar water

o Energiebronnen (chemisch, warmte, sterlicht, …)

o Primitieve organische materialen, zoals aminozuren

o Chemische reacties moeten mogelijk zijn om complexe moleculen op te bouwen

o Manen/magneetvelden/vulkanisme?

o In rustig stukje Melkweg zitten

o …. Nog diverse voorwaarden vergeten??


Kans op ontstaan (intelligent) leven?

• Op Aarde is leven snel begonnen ⇒ Drake factor fleven ~ 1??

• Vinden van leven op Mars, of één van de manen van Jupiter of Saturnus zou twee voorbeelden opleveren ⇒ fleven = 1.

• Intelligentie kan evolutionair voordeel zijn

• Hersenen zijn echter groot en hebben veel energie nodig

• Er is weinig nodig voor zien, bewegen, hand-oog coördinatie

• Zal de stap naar mensen snel gezet worden?


Beschaving

• Een aspect van beschaving kan zijn ontwikkelen van technologie

• Egyptenaren, Chinezen ontwikkelden geen technologie in duizenden jaren

• Toch hadden zij een hoog niveau van beschaving

• Vormen mieren en bijen een beschaving?

• Meeste soorten die ooit op Aarde leefden zijn uitgestorven

• Zou de mens hierin speciaal zijn?

• Hoe lang duurt de menselijke technologische beschaving?

• Kunnen communiceren via radio signalen gaat (helaas) samen met uitvinden kernwapens

• Na verspreiding naar andere planeten kan een beschaving wellicht niet meer uitsterven door een kernoorlog


Technologische beschaving

• De onze is slechts 60 jaar oud!

• Andere civilisaties zullen vrijwel steeds verder gevorderd zijn, tenzij we op het punt van zelf-destructie staan

• Als anderen al duizenden of zelfs miljoenen jaren bestaan zijn ze zelfs heel veel verder.

• Hun interesse in ons zou vergelijkbaar kunnen zijn met onze interesse in insecten.

• Als je een andere ster kunt bereiken kun je de gehele Melkweg koloniseren in paar 100 miljoen jaar, snelheid is dan een bescheiden 0,001 c = 300 km/sec = 1 miljoen km/uur.

• Op de heel lange duur is dit essentieel voor overleven van de soort (moederster gaat ook eens dood)

10


Intelligentie?

• Buitenaards leven lijkt heel waarschijnlijk

• Maar intelligent leven?

o Heeft er lang over gedaan op Aarde (3,5 miljard jaar)

o Grote maan stabiliseert de aardas

o Geologie: tektoniek en vulkanen

o Pas zonder ‘rampen’ zijn hersens mogelijk in de evolutie(?)

• Blijven zoeken, b.v. via SETI, ondanks FERMI paradox

• Universele natuurwetten zorgen er misschien voor dat we signalen van andere beschavingen kunnen herkennen

• Zoeken met radiotelescopen en naar (rode) laser signalen


Sneeuwbal Aarde

600 tot 750 miljoen jaar geleden was de Aarde geheel bedekt met ijs gedurende lange periodes. Elke periode eindigde door een enorm broeikaseffect.

Welke factor verandert? (Zie volgende plaatje)


http://geology.fullerton.edu/whenderson/Fal201L2005/snowballearth/index.htm


Zuurstof in Aardatmosfeer

• Zuurstof verdwijnt in 5 miljoen jaar door reactie met vulkanische lava

• Zuurstofniveau handhaven is ingewikkeld

• Daarvoor is leven nodig (denken we nu)

3,2 miljard geleden steeg hetzuurstofgehalte tot 2 %; het huidige niveau is 2,1 miljard jaar geleden bereikt. Wellicht konden daarna pas ingewikkelde levensvormen ontstaan?


Infrarood spectrum van onze Aarde

Aarde is zo’n 25 oC en er is ozon, water en koolzuur25-1-2011 Exoplaneten, cursus Winsum 60

Verwacht spectrum van exoplaneet met leven

Geplande ruimtemissies (Darwin, TPF) zouden dit spectrum net kunnen meten (40 dagen meettijd, ster op 30 lichtjaar)

11


Een andere mogelijkheid zou zijn om de sterke absorptie door chlorofyl te meten


5. Ruimtemissies


Frankrijk/ESA: Corot

Corot meet minuscule licht veranderingen met een telescoop van slechts 27 cm doorsnede.

Corot is 600 kg zwaar, meet 4,1 bij 2 meter. Lancering op 27 dec 2006 vanaf Baikonur in Rusland. Werkt nog steeds prima (jan 2011).


Corot 7b is gevonden op 16 sept 2009. Hij bestaat u it ‘rots’ net als onze Aarde . Hij is wel bijna 2 keer zo groot en draait in 20 uu r rond, op 2,5

miljoen km. Daardoor is hij 1500 graden C warm.


Tekening van de Kepler satelliet van NASA; 1,4 meter telescoop; bekijkt voortdurend 105 vierkante graden (Zon en Maan zijn een kwart vierkante graad).


Planeet Kepler 10b

4,6 Aardmassa’s,

1,4 keer groter dan aarde,

Op 0,017 AE,

1800 K,

In 45 dagen rond;

oppervlak is 1600 K

12


Toekomst

• Gaia zal vliegen vanaf 2013 (?) en miljarden sterren meten met een nauwkeurigheid vergelijkbaar met het zien van de pink van een astronaut op de Maan vanaf de Aarde; zo zal Gaia vele duizenden exoplaneten vinden.

• Zogenaamde interferometrie missies, bestaande uit meerdere telescopen op een flinke afstand van elkaar, zouden er in moeten gaan slagen om leven op sommige exoplaneten te vinden. TPF van NASA en Darwin van ESA waren in ontwikkeling, maar zijn op zijspoor gezet.


Gaia satelliet, een tekening


TPF Interferometer tekening


Darwin interferometer

Exoplaneten cursus 24jan2011

Education

Transcript of Exoplaneten cursus 24jan2011