Entdeckung von Exoplaneten über die

Radialgeschwindigkeitsmethode

Gliederung

1. Die Radialgeschwindigkeitsmethode im Überblick

1.1 Ideen zur Radialgeschwindigkeitsmethode

1.2 Voraussetzungen für die Entdeckung über die Methode

1.3 Funktionsweise der Radialgeschwindigkeitsmethode

2. Instrumente zur Entdeckung

2.1 HARPS

2.2 GAIA

2.3 APF

3. Überraschende Bedeutende Entdeckungen

3.1 Erster Exoplanet „51 Pegasi b“

3.2 Erstes System „Ypsilon Andromedae“

3.3 Erste eventuell habitable Zone „Gliese 581“

4. Aussichten für die Zukunft

4.1 Verbesserung der Messungen

4.2 Zukünftige Projekte

4.2.1 ESPRESSO

4.2.2 CODEX

1.1 Ideen zur Radialgeschwindigkeitsmethode

● Erste Versuche zur Entdeckung von Exoplaneten im 19. Jahrhundert:● Versuch über direkt abbildenden Nachweis

→ Helligkeits- und Kontrastprobleme● Viele Messfehler

● Versuch über indirekten Nachweis

→ Theorie: Verschiebung des Baryzentrums aus dem Sternmittelpunkt durch Gravitationskräfte der Exoplaneten → Entstehung des Dopplereffekts im Sternspektrum durch Ortsvariation des Zentralgestirns

1.2 Voraussetzungen für die Entdeckung über die Methode

● Nur Entdeckung von relativ massereichen Planeten auf engen Bahnen möglich

● Keine Messung bei einer Neigung von 90° relativ zum Betrachter möglich

1.3 Funktionsweise

● Dopplereffekt im Lichtspektrum des Sterns (siehe 1.1)

Feststellung mit Hilfe von Spektrographen:

→ bei Bewegung auf die Erde zu:– Lichtstrahlung kurzwellig; Spektrum blauverschoben

→ bei Bewegung von der Erde weg:– Lichtstrahlung langwellig; Spektrum rotverschoben

2.1 HARPS

● „High Accuracy Radial velocity Planet Searcher“

● Entwickelt in La Silla (Chile)● Spektrograph der ESO● Installiert an einem 3,60m großen Teleskop● Erste Messungen 2003● Messgenauigkeit 1m/s

● Hervorragende Messung aufgrund technischer Finessen möglich:● Temperaturstabilisierung um den

Spektrographen; Einschluss unter Vakuum → Stabilisierung der Messungen

● Datenreduktionspipeline → sofortiger Vergleich mit anderen Spektren möglich + Korrektur der Schwankungen durch sonstige Einflüsse

2.2 GAIA

● „Globales Astrometrisches Interferometer für die Astrophysik“

● Raumsonde der ESA● Interferometrie als Messmethode

vorgesehen → „Interferometer“● 19. Dezember 2013 gestartet● Geplante Flugdauer fünf Jahre

● Ziel GAIAs: Sammlung sämtlicher Daten von allen Sternen in der Milchstraße

● Hoffnung auf die Entdeckung von bis zu 30.000 Exoplaneten mit Hilfe dieser Daten

● Veröffentlichung der gesammelten Daten voraussichtlich 2022

2.3 APF

● „Automated Planet Finder“, auch RPF „Rocky Planet Finder“

● 2,4m großes Teleskop mit Levy Spektrometer

● In San Jose, Kalifornien, USA● Vollautomatische Suche nach Exoplaneten

jede Nacht

● Intelligente Auswahl aus einigen vorinstallierten Daten von Exoplaneten je nach Wetterlage

● Hauptsächlich Suche nach massearmen Gesteinsplaneten (1-20 Erdmassen)

● Speicherung der Messungen auf einer „Daten Pipeline“

Erster Exoplanet „51 Pegasi b“

● 5. Oktober 1995 von Michel Mayor und Didier Queloz entdeckt

● Rotiert um Stern 51 Pegasi● Jedoch nicht erdähnlich:

● 0,6 Jupitermassen; 0,05 AU von Zentralgestirn entfernt; Umlaufzeit 4,2 Tage; Tagestemperatur 1300°C;

● Weiterhin viele Spekulationen über 51 Pegasi b

3.2 Erstes System „Ypsilon Andromedae“

● Zentralgestirn „Ypsilon Andromedae A“● Entdeckung von drei Planeten um diesen

Stern:● Ypsilon Andromedae b● Ypsilon Andromedae c● Ypsilon Andromedae d

„Ypsilon Andromedae b“● 1996 von Paul Butler entdeckt● 0,71 Jupitermassen; 0,059 AU vom Stern

entfernt; Umlaufzeit von 4,6 Tagen; Tagestemperatur 2000°C; wahrscheinlich „strukturloser Glutball“

„Ypsilon Andromedae c“● 1999 von Geoffrey Marcy et al. entdeckt● 2,11 Jupitermassen; 0,83 AU vom Stern

entfernt; Umlaufzeit von 241,2 Tagen; Tagestemperatur 85°C; wahrscheinlich Gasplanet mit vielen Monden

„Ypsilon Andromedae d“● 1999 von Paul Butler et al. entdeckt● 4,61 Jupitermassen; 2,5 AU entfernt vom

Zentralgestirn; Umlaufzeit von 3,5 Jahren; Tagestemperatur -40°C; hohe Exzentrizität von 0,41

3.3 Erste eventuell habitable Zone um „Gliese 581“

● Zentralgestirn „Gliese 581“● Planeten in der eventuell habitablen Zone:

● Gliese 581 d● Gliese 581 c

„Gliese 581 d“● 24. April 2007 entdeckt● Lange Zeit Status als erdähnlichster Exoplanet

→ 24. August 2009 Aktion „Hello from Earth“

→ Aussendung von Nachrichten der Menschen aus aller Welt zu Gliese 581 d

● ABER: Untersuchung von Paul Robertson et al.:

Gliese 581 d existiert nicht!!

„Gliese 581 c“● 24. April 2007 entdeckt● Mind. 5 Erdmassen; 1/14 AU entfernt vom

Stern; Umlaufzeit 13 Tage; erste Temperaturschätzungen: -3°C bis +40°C, aber nach moderne Messungen wahrscheinlich zu heiß für erdähnliches Leben

4.1 Verbesserung der Messungen

● Neue Innovationen (z.B. siehe Abschnitt 4.2) oder Verbesserungen an bereits vorhandenen Instrumenten

z.B. Verbesserungen bei HARPS:● Entwicklung eines Laser-Frequenzkamms

zur Senkung der Messschwankungen im ungenauen Referenzspektrum

4.2.1 ESPRESSO

● „Echelle Spectrograph for Rocky Exoplanet and Stable Spectroscopic Observation“

● Projekt der ESO seit 2010 in Arbeit● Installation am „Very Large Telescope“

voraussichtlich Ende 2016● Ziel des Projekts: Entwicklung eines

hocheffizienten Spektrographen für die Entdeckung von Gesteins-Exoplaneten

● Ziele für die Messungen des Spektrographen:● Gut genug zur Entdeckung von Gesteinsplaneten● Übersicht auf die physikalischen Gegebenheiten auf

den Exoplaneten● Genauere Bestimmung der chemischen

Zusammensetzung der Sterne in benachbarten Galaxien

● Messgenauigkeit von 10cm/s● Messschnelligkeit unter einer Minute

4.2.2 CODEX

● „COsmic Dynamic Experiment“● Abdeckung mehrerer Aufgabenbereiche:

● Hauptaufgabe: Messung der kosmischen Expansion

● Aber unter Anderem auch Entdeckung von Exoplaneten mit erdähnlicher Masse

● ABER: viele technische Innovationen für die Aufgabenbereich nötig

→ zum Teil noch nicht existent

→ ESPRESSO wichtig als Vorläufer

→ Welche Technik wird für die gewünschten Ergebnisse benötigt??

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Bildquellen

- http://www.mgvoss.de/resources/Radialmethode.jpg

- http://www.eso.org/sci/facilities/lasilla/instruments/harps/images/harps_og.jpg

- http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/8/8b/Maquette_de_Gaia_salon_du_Bourget_2013_DSC_0191.JPG/250px-Maquette_de_Gaia_salon_du_Bourget_2013_DSC_0191.JPG

- http://news.ucsc.edu/2014/03/images/apf-400.jpg

- http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/0/02/Planetary_habitable_zones_of_the_Solar_System_and_the_Gliese_581.jpghttp://www.scilogs.de/kosmo/gallery/10/radialgeschwindigkeitsmethode.jpg