ExtrasolExtrasoláárrnene planétyplanéty

Veronika KaVeronika Kažimirová

DefinDefinícia planétyícia planéty ( (Medzinárodná Astronomická únia)Medzinárodná Astronomická únia)::

””planplanéta je teleso s hmotnosťou väčšou ako je éta je teleso s hmotnosťou väčšou ako je hmotnosť Pluta ale menšou ako 15 hmotností hmotnosť Pluta ale menšou ako 15 hmotností JupiteraJupitera,, toto teleso obieha okolo telesa toto teleso obieha okolo telesa produkujúceho energiu jadrovými reakciamiprodukujúceho energiu jadrovými reakciami””

Čo je teda planéta ?Čo je teda planéta ?

Objavy prvýchObjavy prvých extrasolárnych planét extrasolárnych planét

Objavu extrasolárnych planét predchádzalo veľké Objavu extrasolárnych planét predchádzalo veľké množstvo falošných detekcií, zvyčajne sa jedná o množstvo falošných detekcií, zvyčajne sa jedná o dvojhviezdy alebo viacnásobné hviezdne sústavy, dvojhviezdy alebo viacnásobné hviezdne sústavy, detekcie na základe malých zmien radiálnych rýchlostídetekcie na základe malých zmien radiálnych rýchlostí

Možná detekcia planéty okolo Barnardovej hviezdyMožná detekcia planéty okolo Barnardovej hviezdy Prvá neskôr potvrdená detekcia v roku 1988, detekcia Prvá neskôr potvrdená detekcia v roku 1988, detekcia

na hranici možností vtedajšej techniky, v roku 2003 na hranici možností vtedajšej techniky, v roku 2003 potvrdenápotvrdená

Objav prvých Objav prvých extrasolárnych planétextrasolárnych planét okolo pulzara okolo pulzara PSR PSR B1257+12B1257+12 v súhvezdí v súhvezdí Panny (Panny (A. A. Wolszczan & D. FrailWolszczan & D. Frail, , 1992) 1992)

Tri Tri planéty,planéty,pravdepodobnepravdepodobne pozostatky obrích planét pozostatky obrích planét po explózii supernovypo explózii supernovy

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/b/bc/Ssc2006-10c.jpg/750px-Ssc2006-10c.jpg

Mayor Mayor && Queloz, 1995 obj Queloz, 1995 objav prvav prvej extrasolárnej planéty ej extrasolárnej planéty okolo normálnej hviezdy (51 Pegasa), na základeokolo normálnej hviezdy (51 Pegasa), na základe presných presných radiálnych rýchlostíradiálnych rýchlostí

Marcy, W.M. et al., 1997, ApJ 481, 926http://extrasolar.spaceart.org/img/pegasi.jpg

Hľadanie extrasolárnych planétHľadanie extrasolárnych planét

Metódy detekcieMetódy detekcie nepriamenepriame - - radiradiáállne rýchlosti využitím Dopplerovho javune rýchlosti využitím Dopplerovho javu - fotometrické (tranzity)- fotometrické (tranzity) - astrometria (=pozičné merania)- astrometria (=pozičné merania) - gravitačné šošovky (ohyb svetla okolo hmotných telies)- gravitačné šošovky (ohyb svetla okolo hmotných telies) - časové posuny pulzov pulzarov (efekt konečnej rýchlosti svetla- časové posuny pulzov pulzarov (efekt konečnej rýchlosti svetla)) priamepriame - priame zobrazovanie- priame zobrazovanie - - koronografické zobrazovaniekoronografické zobrazovanie - interferometria- interferometria

RadiRadiáállna rýchlosťna rýchlosť najrozšírenejšia a najrozšírenejšia a

najefektívnejšia metódanajefektívnejšia metóda meranie radiálnej rýchlostimeranie radiálnej rýchlosti – –

vďaka Dopplerovmu javuvďaka Dopplerovmu javu

v v extrasolárnych planétach extrasolárnych planétach amplitamplitúúdy < 1-100 m/s dy < 1-100 m/s extrextrémna presnosť nutnáémna presnosť nutná

Vysoko presné radiálne Vysoko presné radiálne rýchlosti sú získavané rýchlosti sú získavané spektrografmi s teplotnou spektrografmi s teplotnou stabilizácioustabilizáciou

súčasná presnosť:súčasná presnosť: 1 m1 m//s s PriPri vysokom rozlíšení vysokom rozlíšení

nedostatok svetla nedostatok svetla nnevyhnutné sú pozorovania z evyhnutné sú pozorovania z veľkých ďalekohľadov (priemer veľkých ďalekohľadov (priemer > 2m)> 2m)

http://www.eso.org/public/outreach/press-rel/pr-2007/phot-22-07.html

Z krivky radiZ krivky radiálnych rýchlostí určíme jej poloamplitúdu, álnych rýchlostí určíme jej poloamplitúdu, aa11 sin sin ii, , potom len minimálnu hmotnosť planéty pri známej hmotnosti potom len minimálnu hmotnosť planéty pri známej hmotnosti hviezdyhviezdy

VVždy pozorujeme len pohyb hviezdy NIE planétyždy pozorujeme len pohyb hviezdy NIE planéty

221

332

2

331 sinsin

mm

imP

ia

• Súčasné techniky sú citlivé na planéty sSúčasné techniky sú citlivé na planéty s M > 0.2 Mj M > 0.2 Mj plan planééty ty zemskzemskéého typu zatiaho typu zatiaľ nemôžeme touto technikou deteľ nemôžeme touto technikou detekkovaťovať

Vzniká ak extrasolárna planéta zakrýva časť rotujúcej hviezdy, jej Vzniká ak extrasolárna planéta zakrýva časť rotujúcej hviezdy, jej radiálna rýchlosť potom nezodpovedá ťažiskuradiálna rýchlosť potom nezodpovedá ťažisku

PK

eia 2,1

2/12

2,1 21

sin

PrincPrincípíp: tran: tranzit planéty pred zit planéty pred diskom hviezdy vyvolá pokles diskom hviezdy vyvolá pokles jasnosti (podobne ako prechod jasnosti (podobne ako prechod Venuše alebo Merkúra pred Venuše alebo Merkúra pred slnečným diskom)slnečným diskom)

Pokles jasnosti počas tranzitu Pokles jasnosti počas tranzitu jasnosť hviezdy poklesne ojasnosť hviezdy poklesne o LL::

LL//LL* * ~ (~ (RRpp//RR**))22

VVeľmi malá šanca detekcie, eľmi malá šanca detekcie, keďže rovina dráhy musí byť keďže rovina dráhy musí byť prakticky kolmá na oblohuprakticky kolmá na oblohu

Nevýhody: malé poklesy Nevýhody: malé poklesy jasnosti môžu byť pozorované jasnosti môžu byť pozorované aj v zákrytových dvojhviezdach aj v zákrytových dvojhviezdach s malým sklonom dráhy alebo s malým sklonom dráhy alebo pri trojhviezdach s pri trojhviezdach s dominantnou treťou zložkoudominantnou treťou zložkou

FFotometrická metódaotometrická metóda

http://www.superwasp.org/images/transit.gif

http://extrasolar.spaceart.org/img/hd209458.jpghttp://www.journals.uchicago.edu/ApJ/journal/issues/ApJ/v552n2/53085/53085.html

Tranzity planét Tranzity planét WASPWASP (Wide-Angle search (Wide-Angle search

for Planets), 8 kamier, 11cmfor Planets), 8 kamier, 11cm

ďalekohľady, ďalekohľady, 8x88x8oo zorn zornéé pole pole

• Stare, 10cm ďalekohľad, Stare, 10cm ďalekohľad, detekcia prvej planéty na detekcia prvej planéty na základe tranzitovzáklade tranzitov

http://www.superwasp.org/images/8cams.jpg

http://www.hao.ucar.edu/public/research/stare/scope_schmidt.html

PrincPrincípíp: : obeh planét okolo hviezdy spôsobí zobeh planét okolo hviezdy spôsobí zmmeny jej polohy na oblohe eny jej polohy na oblohe citlivé na planéty s dlhými obežnými dobamicitlivé na planéty s dlhými obežnými dobami ( (P P > 1 > 1 rokrok).). Presnosť pozičných meraní by musela byť zvýšená 100 – 1000-krátPresnosť pozičných meraní by musela byť zvýšená 100 – 1000-krát PotrebnPotrebnú presnosť by mohla dosiahnuť SIM (Space Interferometry Mission)ú presnosť by mohla dosiahnuť SIM (Space Interferometry Mission)

AstrometrAstrometriaia

VVhhodné pre veľmi jasné planéty na dlhých obežných odné pre veľmi jasné planéty na dlhých obežných dráhach (P dráhach (P >> 1 rok>> 1 rok)) v okol v okolíí Slnk Slnkaa

ProblProblémém veľkého kontrastu jasnostiveľkého kontrastu jasnosti

Priama Priama detekciadetekcia

http://www.eso.org/public/outreach/press-rel/pr-2005/images/phot-10a-05-normal.jpg

Ideálne pozorovať v ďalekej infračervenej oblasti, kde je hosťujúca Ideálne pozorovať v ďalekej infračervenej oblasti, kde je hosťujúca hviezda menej dominantnáhviezda menej dominantná

Koronografické pozorovaniaKoronografické pozorovania InterferometriaInterferometria

Priama Priama detekcia detekcia

http://www.eso.org/public/outreach/press-rel/pr-2005/images/phot-14a-05-preview.jpgChauvin, G. et al., 2005, Astron. Astrophys. 438, L29-L32

Fotometrická metódaFotometrická metóda DetekciaDetekcia pomocou pomocou všeobecnej teórie relativity všeobecnej teórie relativity NevNevýhoda: jav mikrošošovkovania je pri danej sústave ýhoda: jav mikrošošovkovania je pri danej sústave

pozorovateľný len razpozorovateľný len raz, je , je ťažké detekciu potvrdiť a získať viac ťažké detekciu potvrdiť a získať viac údajov o planéteúdajov o planéte

Gravitačné Gravitačné šošovkyšošovky

http://bulge.astro.princeton.edu/~ogle/ogle3/blg390.png

Pri fotometrickej detekcii: malý polomer môže mať Pri fotometrickej detekcii: malý polomer môže mať niekoľko druhov objektov niekoľko druhov objektov kontamin kontaminácia hnedými ácia hnedými alebo bielymi trpaslíkmialebo bielymi trpaslíkmi

pri spektroskopickej detekcii len dolné ohraničenie pri spektroskopickej detekcii len dolné ohraničenie hmotnosti hmotnosti mm sin sin i i

Sú doterajšie detekcie spoľahlivéSú doterajšie detekcie spoľahlivé ? ?

335335 extrasol extrasolárnych planét árnych planét alebo kandidalebo kandidátov (átov (januarjanuar 200 20099)) 18 18 planetárnych sústavplanetárnych sústav * 55 Cnc: 4 plan* 55 Cnc: 4 planétyéty 1818 planét vykazujúcich tranzitplanét vykazujúcich tranzit 4 plan4 planéty okolo pulzarov éty okolo pulzarov Zhruba Zhruba 6% hviezd slne6% hviezd slnečného typu má planetárne sústavyčného typu má planetárne sústavy

Štatistika potvrdených detekciíŠtatistika potvrdených detekcií

• Malé písmeno je pridané za názov hosťujúcej hviezdy napr. 51 Peg b alebo 51 Peg c

• Len pár planét má neoficiálne slovné názvy, napr. planéta pri HD209458 sa nazýva “Osiris”

Takmer vTakmer všetky údaje o extrasolárnych planétach sú získané šetky údaje o extrasolárnych planétach sú získané nepriamo na základe pozorovaní hosťujúcej hviezdy nepriamo na základe pozorovaní hosťujúcej hviezdy

Objav extrasolárnej planéty musí byť sprevádzaný odhadom jej Objav extrasolárnej planéty musí byť sprevádzaný odhadom jej hmotnostihmotnosti

Zvyčajne potrebujeme dve rozdielne metódy pozorovania na Zvyčajne potrebujeme dve rozdielne metódy pozorovania na určenie hmotnostiurčenie hmotnosti::

Radiálne rýchlosti Radiálne rýchlosti + + TranzityTranzity

Radiálne rýchlosti Radiálne rýchlosti ++ Astrometria Astrometria

Priama detekcia Priama detekcia + + AstrometriaAstrometria

Vlastnosti extrasolárnych planétVlastnosti extrasolárnych planét

Orbitálne periódyOrbitálne periódy: : - 1/3 - 1/3 známychznámych exoplan exoplanétét obieha okolo materskej hviezdy obieha okolo materskej hviezdy

bližšie ako Merkúrbližšie ako Merkúr HmotnostiHmotnosti: typická hmotnosť exoplanét je hmotnosť : typická hmotnosť exoplanét je hmotnosť

JupiteraJupitera, , v rozsahu v rozsahu 20 – 50 20 – 50 MMj j nepozorujeme žiadne telesa nepozorujeme žiadne telesa ((The Brown Dwarf DesertThe Brown Dwarf Desert) )

Povrchové teploty – Povrchové teploty – zatiaľ len odhad na základe svietivosti zatiaľ len odhad na základe svietivosti hviezdyhviezdy

Vnútorná stavbaVnútorná stavba – – len teoreticklen teoretické predpovede na základe é predpovede na základe určenej hustotyurčenej hustoty

Vlastnosti extrasolárnych planétVlastnosti extrasolárnych planét

Protoplanetárne diskyProtoplanetárne disky

planéty bez materskej planéty bez materskej hviezdyhviezdy

vyskytujú sa v vyskytujú sa v protohviezdnych protohviezdnych oblakoch (napr. Veľká oblakoch (napr. Veľká hmlovina v Orióne)hmlovina v Orióne)

Existencia nie je stále Existencia nie je stále úplne potvrdenáúplne potvrdená

Podľa definície IAU to nie Podľa definície IAU to nie sú planétysú planéty

Niektoré z nich môžu byť Niektoré z nich môžu byť hnedé trpaslíkyhnedé trpaslíky

VVoľne plávajúce planétyoľne plávajúce planéty

Výberové efekty = Výberové efekty = šance nájsť planétu okolo hviezdy závisia od šance nájsť planétu okolo hviezdy závisia od viacerých faktorov (jasnosť hviezdy, hmotnosť, orbitálna periódaviacerých faktorov (jasnosť hviezdy, hmotnosť, orbitálna perióda……))

Neúplnosť súčasných pozorovaní – Neúplnosť súčasných pozorovaní – planéty s M planéty s M < 0.5 Mj, plan< 0.5 Mj, planéty éty s s P > 10 rokov, P > 10 rokov, planetárne sústavyplanetárne sústavy

Výberové efektyVýberové efekty

HD80606 = hviezda s planétou na HD80606 = hviezda s planétou na dráhe s najväčšou excentricitou, dráhe s najväčšou excentricitou, ee = = 0.927, 0.927, PP = 112 dn = 112 dní, í, m m sin sin ii = 3.9 Mj = 3.9 Mj

Ups Andromedae, prvý detegovaný Ups Andromedae, prvý detegovaný extrasolárny systém troch planét extrasolárny systém troch planét (orbitálne periódy 4.617 dňa, 241 dní a (orbitálne periódy 4.617 dňa, 241 dní a 1290 dní)1290 dní)

Zaujímavé objektyZaujímavé objekty

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/en/0/06/Upsand.jpg

HD209458 – prvá planéta, kde bola spektroskopicky potvrdená existencia HD209458 – prvá planéta, kde bola spektroskopicky potvrdená existencia atmosféry (vodík, uhlík, kyslík), u tejto planéty bolo zistené, že nie je atmosféry (vodík, uhlík, kyslík), u tejto planéty bolo zistené, že nie je pokrytá mrakmi,pokrytá mrakmi,v buducnostiv buducnosti možná detekcia vodných pár v jej atmosfére možná detekcia vodných pár v jej atmosfére

Iota Draconis b, prvá planéta nájdená okolo obrej hviezdyIota Draconis b, prvá planéta nájdená okolo obrej hviezdy OGLE-2005-BLG-390Lb, najvzdialenejšia a najchOGLE-2005-BLG-390Lb, najvzdialenejšia a najchlaladnejšia planéta nájdená dnejšia planéta nájdená

na základe gravitačnej šošovky, hmotnosť planéty je asi 5.5 Mzna základe gravitačnej šošovky, hmotnosť planéty je asi 5.5 Mz 55 Cnc b – prvá extrasolárna planéta nájdená vo viacnásobnej hviezdnej 55 Cnc b – prvá extrasolárna planéta nájdená vo viacnásobnej hviezdnej

sústavesústave

Zaujímavé objekty IIZaujímavé objekty II

Kozmické projektyKozmické projekty (smerom k planétam zemského typu)(smerom k planétam zemského typu)

KEPLER (KEPLER (NASANASA, , http://www.kepler.arc.nasa.gov/http://www.kepler.arc.nasa.gov/)) Hlavný cieľ: detekcia planét zemského typu vysokopresnou fotometriouHlavný cieľ: detekcia planét zemského typu vysokopresnou fotometriou

Súčasnosť až blízka budúcnosťSúčasnosť až blízka budúcnosť

http://smsc.cnes.fr/IcCOROT/vue_artiste/corot_terre_bleue.jpg

http://kepler.nasa.gov/media/images/Kepler+bkgdHR.jpg

detekcia planét zemského typu vysokopresnou fotometrioudetekcia planét zemského typu vysokopresnou fotometriou 1m ďalekohľad monitorujúci 100000 hviezd súčasne1m ďalekohľad monitorujúci 100000 hviezd súčasne Zorné pole 105 štvorcových stupňov, mozaika 42 CCD chipovZorné pole 105 štvorcových stupňov, mozaika 42 CCD chipov Vypustenie – februVypustenie – február 2009ár 2009

KEPLERKEPLER

http://kepler.nasa.gov/media/images/PhotometerSection-sm.jpg

DARWINDARWIN ((ESAESA TPF (TPF (NASANASA)) (interferometer + koronograf)(interferometer + koronograf),, SIM (presná astrometria zložená na interferometrii)SIM (presná astrometria zložená na interferometrii) Hlavný cieľ: detekcia planét zemského typu infračervenou interferometriouHlavný cieľ: detekcia planét zemského typu infračervenou interferometriou, ,

detedetekcia molekúlkcia molekúl

Vzdialená budúcnosťVzdialená budúcnosť

http://darwin.esa.int/science-e-media/img/4b/i_screenimage_32587.jpg

http://planetquest.jpl.nasa.gov/images/TPF_I2-600.jpg

1.1. Potrebujeme nPotrebujeme nájsť planétu s pevným povrchomájsť planétu s pevným povrchom2.2. Planéta musí byť v obývateľnej zóne (okolo hosťovskej hviezdy aj v Planéta musí byť v obývateľnej zóne (okolo hosťovskej hviezdy aj v

rámci Galaxie)rámci Galaxie)3.3. Rotácia planéty nesmie byť viazanáRotácia planéty nesmie byť viazaná4.4. Sústava nesmie byť veľmi mladá (impakty komét a asteroidov)Sústava nesmie byť veľmi mladá (impakty komét a asteroidov)5.5. Planéta musí byť chránená atmosférouPlanéta musí byť chránená atmosférou pred drobn pred drobnými impaktmiými impaktmi6.6. Planéta musí mať magnetické pole – ochrana pred kozmickým Planéta musí mať magnetické pole – ochrana pred kozmickým

žiarenímžiarením7.7. Atmosféra musí obsahovať biomarkeryAtmosféra musí obsahovať biomarkery8.8. ......

Hľadanie života Hľadanie života !!!!!!

Obývateľná zónaObývateľná zóna:: prstencová oblasť okolo hosťovskej hviezdy, kde môže voda prstencová oblasť okolo hosťovskej hviezdy, kde môže voda

existovať v tekutom staveexistovať v tekutom stave Vnútorný polomerVnútorný polomer:: miesto, kde hviezdne žiarenie odparí celú miesto, kde hviezdne žiarenie odparí celú

povrchovú vodupovrchovú vodu Vonkajší polomerVonkajší polomer: miesto, kde stredná povrchová teplota nedosahuje : miesto, kde stredná povrchová teplota nedosahuje

bod topenia vodného ľadubod topenia vodného ľadu ani s pomocou skleníkových plynov ani s pomocou skleníkových plynov ((napr. napr. COCO22))

Obývateľné zónyObývateľné zóny

http://www.astro.sunysb.edu/fwalter/AST101/images/hz2.gif

Budúcnosť výskumu extrasolárnych planétBudúcnosť výskumu extrasolárnych planét Hľadanie planetárnych sústavHľadanie planetárnych sústav Štúdium atmosfér extrasolárnych planét a hľadanie látok Štúdium atmosfér extrasolárnych planét a hľadanie látok

podporujúcich vznik životapodporujúcich vznik života Hľadanie mesiačikov a prstencovHľadanie mesiačikov a prstencov Detekcia pásov asteroidovDetekcia pásov asteroidov Kozmické misie = detekcia extrasolárnych planét zemského typuKozmické misie = detekcia extrasolárnych planét zemského typu

Po viac ako 10 rokoch hľadania Po viac ako 10 rokoch hľadania extrasolextrasoláárrnych planét vieme, že nych planét vieme, že najmenej najmenej 5% hviezd sl5% hviezd slnečného typu hosťuje obrie planéty (silno nečného typu hosťuje obrie planéty (silno ovplyvnené výberovými efektmi)ovplyvnené výberovými efektmi)

Nezodpovedané otázky: stavba a formáciaNezodpovedané otázky: stavba a formácia extrasolárnych planét, extrasolárnych planét, Očakávané výsledky v blízkej budúcnosti: detekcia planét Zemského Očakávané výsledky v blízkej budúcnosti: detekcia planét Zemského

typutypu s molekulami nevyhnutnými na vznik života (s molekulami nevyhnutnými na vznik života (HH22OO, , OO22, , OO33, , COCO22,,

CHCH44 ))..

ZáverZáver