3/21/10 

1 

Extrasolar Planets Hun4ng for Earth‐Like Worlds 

By  Josh Hilzinger 

How Were Exoplanets Discovered? 

•  The first ever detected exoplanets were detected indirectly by their gravita4onal influence on their host star. 

•  Massive Jovian planets induce a large “wobbling” effect on their stars. 

•  This can be detected as an oscilla4on in a star’s velocity towards and away from Earth. 

3/21/10 

2 

Figure. 1. – This plot shows the veloci4es of HD 209458.  The solid line is a sinusoidal fit with a period of 3.5239 and a semiamplitude of 81 m/s, yielding a minimum mass of 0.62 4mes that of Jupiter (Henry et al., 2000). 

What About Terrestrial Worlds? 

•  Gravita4onal influence on host star is minute and undetectable. 

•  New methods of detec4on had to be found. 

•  The solu4on? 

3/21/10 

3 

Planetary Transits 

Planetary Transits 

•  As an object passes between Earth and a distant star, the measured flux will decrease propor4onal to the object’s apparent size. 

•  This can only be viewed if the orbital plane is at a small inclina4on from our line of sight. 

3/21/10 

4 

Figure. 2. – Above are two photometric 4me series of the star HD 209458, one from September 9th, 1999, and September 16th, 1999.  The increased scaber on the Sept. 16th data is due to a shorter exposure 4me.  Also the data from Sept. 16th is offset by ‐0.05 rela4ve to Sept. 9th for comparison (Charbonneau et al., 2000). 

Planetary Transits 

•  As raw data is refined, a clearer picture of a transit emerges. 

•  From these measurements, detailed informa4on can be gathered about the transi4ng planet.  

3/21/10 

5 

Figure. 3. – This is a plot from the same data as Figure 1, binned into averages to obtain a best‐fit orbit, shown by the solid line.  This view shows a convincing dip in the curve, corresponding to the period of transit (Charbonneau et al., 2000). 

Proper4es of Extrasolar Planets 

•  While an object is mid‐transit, some frac4on of the star light passes through the planets atmosphere. 

•  The change in spectral lines of the star’s light caused by the transi4ng planet will thus reflect atmospheric composi4on. 

•  Chemicals and elements such as oxygen, methane, nitrogen, and water can be iden4fied through spectral analysis. 

3/21/10 

6 

Figure. 4. – A comparison of the observa4ons with simulated water absorp4on.  The observa4ons are indicated with black triangles (Tined et al., 2007).   

Imaging Extrasolar Planets 

•  Though stars outshine their planets by many orders of magnitude, astronomers have imaged some exoplanets by their strong infrared signals. 

•  All typically hot and massive Jupiter‐like planets, orbi4ng extremely close to their host stars and having orbital periods of mere days.  

3/21/10 

7 

Figure. 5. – This plot shows the deriva4ve of rela4ve intensity during eclipse with respect to phase (ɸ), versus the absolute phase difference from the center of eclipse (ɸ0) (Deming et al., 2006). 

3/21/10 

8 

Future of Exoplanetary Sciences 

Astronomers are closer than ever to finding a Twin‐Earth. 

Future Developments could include: •  Imaging low mass, terrestrial exstrasolar planets. 

•  Spectroscopy of extrasolar planetary atmospheres. •  Detec4on of moons and other satellites in extrasolar‐systems. 

•  Detec4on of a Twin‐Earth. 

References 

Charbonneau, David, Brown, Timothy M., Latham, David W. & Mayor, Michel.                       “Detec4on of Planetary Transits Across a Sun‐Like Star.” The Astrophysical Journal (2000):    529: L45‐L48.    

Deming, Drake, Harrington, Joseph, Seager, Sara & Richardson, L. Jeremy. “Strong Infrared Emission from the Extrasolar Planet HD 189733b.” The Astrophysical Journal (2006): 644: 560‐564. 

Henry, Gregory W., Marcy, Geoffery W., Butler, R. Paul & Vogt, Steven S. "A Transi4ng "51 PEG‐Like" Planet." The Astrophysical Journal (2000): 529: L41‐L44. 

Tined, Giovanna, Vidal‐Madjar, Alfred, Liang, Mao‐Chang, Beaulieu, Jean‐Philippe, Yung, Yuk, Carey, Sean, Barber, Robert J., Tennyson, Jonathan, Ribas, Ignasi, Allard, Nicole , Ballester, Gilda E., Sing, David K. & Selsis, Franck. “Water Vapor in the Atmosphere of a Transi4ng Extrasolar Planet.” Nature (2007): 448: 169‐171.