Livsbetingelser i Universum
Föreläsning 7
Planeter kring andra stjärnor
24/11
Livsbetingelser i Universum, HT16
Schema
Se också det detaljerade schema som finns på Studentportalen.
Där finns även för varje föreläsning referenser till kurslitteraturen.
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
(8)
(9)
(10)
Introduktion och generella funderingar
Jordens historia och förutsättningar för liv
Livets uppkomst och utveckling
Uppkomsten av vårt solsystem
Livbetingelser i solsystemet
Mars
Planeter kring andra stjärnor
Liv i andra stjärnsystem
Filosofiska funderingar
Övningar och diskussionsseminarier
Tentamen: Lördag 17/12, 14.00 – 17.00
Anmälan på Studentportalen
24/11
Livsbetingelser i Universum, HT16
Föreläsning 8
Planeter kring andra stjärnor
●
●
●
24/11
Hur kan planeter upptäckas kring andra
stjärnor, och vad är för- och nackdelarna av
olika metoder?
Hur ser planeterna ut som har upptäckts
hittils?
Hur jämför sig solsystemet med andra
planetsystem?
Livsbetingelser i Universum, HT16
Epicurus, ~ 300 BC :
Moreover, there is an infinite number of worlds,
some like this world, others unlike it. For the
atoms being infinite in number, as has just been
proved, are borne ever further in their course. For
the atoms out of which a world might arise, or by
which a world might be formed, have not all been
expended on one world or a finite number of
worlds, whether like or unlike this one. Hence
there will be nothing to hinder an infinity of
worlds.
[...] And further, we must not suppose that the worlds have
necessarily one and the same shape. For nobody can prove that in
one sort of world there might not be contained, whereas in another
sort of world there could not possibly be, the seeds out of which
animals and plants arise and all the rest of the things we see.
24/11
Livsbetingelser i Universum, HT16
Planeter är mycket små kroppar
I solsystemet utgör planeterna enbart 1% av den totala massan.
24/11
Livsbetingelser i Universum, HT16
Skillnaden mellan stjärna och planet
Jätteplaneternas interna struktur och sammanställning skiljar
sig inte så mycket från stjärnornas. Därför används följande
definition för att skilja stjärnor från planeter :
●
●
●
24/11
En kropp med en massa på över 75 Jupitermassor
uppnår en tillräcklig hög densitet att fusion av väte
uppstår i kärnan. Dessa objekt kallar för stjärnor.
En kropp med en massa mellan 13 och 75 Jupitermassor
kan inte bränna väte, men fusionsprocesser som
involverar deuterium kan pågå. Dessa objekt kallas för
bruna dvärgar. ('misslyckade stjärnor').
En kropp med en massa under 13 Jupitermassor har för
lite massa för alla former av fusionsprocesser. Dessa
objekt kallas för planeter.
Livsbetingelser i Universum, HT16
De närmaste stjärnorna
24/11
Livsbetingelser i Universum, HT16
Resan av Voyager 1
Av alla objekt gjorda av människan, ligger Voyager 1 längst bort.
Det kommer att ta minst 1.3 miljoner år innan den passerar inför
en annan stjärnas Oortmoln.
24/11
Livsbetingelser i Universum, HT16
Planeter är mycket ljussvaga
Medan solen lyser av sig själv, kommer planeternas ljus enbart
från reflektion. På grund av detta är Jupiter en miljard gånger
ljussvagare än solen (i vanligt/synligt ljus).
Kontrasten mellan planeter och stjärnor är mindre i infrarött
ljus (värmestrålning), där kontrasten 'bara' är 1:10 000.
24/11
Livsbetingelser i Universum, HT16
Stoftskivorna
Planetbildning är starkt
kopplad till stoftskivorna
kring unga stjärnor.
Dessa stoftskivor
lyser inte av sig själv,
men de värms av
stjärnans ljus.
Skivans värme syns
sedan som infrarött
ljus.
24/11
Livsbetingelser i Universum, HT16
Metod 1 - Direkta bilder av exoplaneter
Ett fåtal planeter har upptäckts genom att ta direkta bilder på
stjärnor, gärna i infraröd.
För att uppnå den nödvändiga upplösning krävs att de störande
effekten av jordens atmosfär tas bort.
Rymdteleskop, som t ex Hubble (optiskt ljus) och Spitzer
(infraröd) är mest lämpad för detta. Ett alternativ är att observera
med teleskop på marken, och sedan använda en snabb
motorstyrd optik som korrigerar för den darrande atmosfären.
Fördelen med metoden är att det är en av de få metoder som gör
de möjligt att upptäcka planeter som ligger långt ifrån sina
värdstjärnorna.
Nackdelen är att man enbart får en bild, är den information man
får fram mycket begränsad. Det är svårt att bestämma
planeternas banor, massor och storlek.
24/11
Livsbetingelser i Universum, HT16
Ett område med många unga stjärnor
24/11
Livsbetingelser i Universum, HT16
24/11
(NASA)
Livsbetingelser i Universum, HT16
Beta Pictoris
en ung stjärna med ansamlingsskiva
Genom att blockera ljuset från stjärnan träder en stoftskiva
fram. Kring denna stjärna finns också en andra (mycket
svag) stoftskiva med en något annan lutning.
Strukturen i stoftskivan skulle kunna säga någonting om
förekomsten av andra kroppar som kretsar runt Beta Pic.
24/11
Livsbetingelser i Universum, HT16
Beta Pic
En nogrann studie
av stoftskivan visar
att en liten kropp
går i bana kring
huvudstjärnan.
Kroppens massa
uppskattas till
8 Jupitermassor,
och är därför
troligen en planet.
Lägg märke till
stoftskivans enorma
utsträckning.
24/11
(ESO)
Livsbetingelser i Universum, HT16
Epsilon Eridani
Greaves et al. 1998, Astrophysical Journal
Epsilon Eridani har en stoftskiva som syns från sidan. I
skivan finns förtjockningar - kan dessa vara början till en
framtida planet? Lägg märke till skivans storlek.
24/11
Livsbetingelser i Universum, HT16
ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), NSF
HL Tauri
Stoftskivan till HL Tauri har en tydlig skiva med ringstruktur. Denna
stjärna är ca 1 miljon år gammal (ung!) och de svarta banden
anses ha orsakata av planeter som håller på att rensa sin bana.
24/11
Livsbetingelser i Universum, HT16
HR 8799
Också här har man genom att blockera ljuset från stjärnan fått
fram en bild på planeter. Dessa planeter befinner sig mycket
långt ifrån sina stjärnorna, och skulle lätt kunna störas av
passerande stjärnor.
24/11
Livsbetingelser i Universum, HT16
Metod 2 - Astrometrisk metod
Stjärnornas position på himlen påverkas av planeternas
gravitationskraft. Effekten är mycket liten, men i princip mätbar.
Sedd från en avstånd på 30 ljusår, förflyttar sig solen 0.0015
bågsekunder. (0.001 bågsekund = människohår på 20 km avstånd)
Hubbles upplösning är 'bara' 0.05 bågsekunder.
24/11
Livsbetingelser i Universum, HT16
Astrometri
Eftersom stjärnornas
rörelse på grund av
planternas gravitation
är mycket liten, har ännu
väldigt få planeter (<3)
upptäckts med den
astrometriska metoden.
Figuren visar hur positionen
av stjärnan VB10 påverkas
av en planet med 6.4
Jupitermassor.
Rymdteleskopet Gaia
väntas upptäcka många
planeter med denna metod
24/11
Livsbetingelser i Universum, HT16
Astrometri
Den astrometriska metodens fördel är att den är känslig för
planeter med relativt stora massor och som ligger relativt
långt från stjärnan, och att metoden fungerar för de flesta
typer av stjärnor.
Nackdelen är att metoden är att det tar mycket tid att
upptäcka effekten av planeter med perioder på flera år. I
solsystemet tar det 12 år för Jupiter att gå ett varv kring
solen. Men, för Neptunus tar det 165 år!
Dessutom är metoden svårt att genomföra med dagens
teknik, men det finns långtgående planer på att bygga
instrument som kan mäta stjärnornas positioner med stor
noggrannhet (GAIA, SIM).
24/11
Livsbetingelser i Universum, HT16
Metod 3 - Dopplermetoden
Stjärnornas
hastigheter kan
mätas med mycket
hög noggrannhet,
i nuläget upp till
10 cm/s (!).
Jupiters påverkan
på solen ger en
hastighetsvariation på 10 m/s, men Jorden ger bara 10 cm/s (!)
Dopplermetoden är en av de mest effektiva metoder
att upptäcka planeter kring andra stjärnor. Över 300 planeter
har upptäckts med denna metod.
Även första exoplanet som upptäcktes (1995, kring 51 Pegasi)
hittades med just denna metod.
24/11
Livsbetingelser i Universum, HT16
Dopplermetoden
Metodens fördel är att den fungerar mycket väl på stjärnor som liknar
solen. Metoden är känsligast för massiva planeter som går i banor
nära sin värdstjärna.
Metodens begränsning ligger i att enbart den komponent av stjärnans
rörelse som ligger längs siktlinjen kan mätas. Inklinationsvinkeln kan
vanligtvis inte bestämmas.
Planetens massa
beror starkt på
inklinationsvinkeln.
En massa som
bestäms med denna
metod är därför
enbart en lägsta
gräns på planetens
massa.
24/11
Livsbetingelser i Universum, HT16
24/11
Livsbetingelser i Universum, HT16
Metod 4 - Transitmetoden
http://www.youtube.com/watch?v=4Z9rM8ChTjY
24/11
Livsbetingelser i Universum, HT16
Transitmetoden
Transitmetoden har den stora fördelen att det går att undersöka
många stjärnor på en gång.
(SuperWASP)
SuperWASP projektet har gjort > 1011 mätningar
24/11
Livsbetingelser i Universum, HT16
Transitmetoden
Genom förmörkelsen är för dessa system inklinationsvinkeln
känd, vilket gör att planetens massa kan bestämmas när man
kompletterar studien med Dopplermetoden.
Medan metoden är mycket känslig för planeter som
går nära inntill sin värdstjärna, är den mycket okänslig för
planeter i jordliknande banor, eller ännu längre bort.
Formen på förmörkelsekurvan avslöjar dessutom planetens
storlek. Ingen annan metod kan bestämma denna
egenskap.
Mer än 50 planeter har upptäckts med denna metod.
24/11
Livsbetingelser i Universum, HT16
Kepler (2010)
CoRoT (2006)
Gaia (2013)
24/11
Livsbetingelser i Universum, HT16
(Kepler/NASA)
24/11
Livsbetingelser i Universum, HT16
(Bill Burucki, NASA)
24/11
Livsbetingelser i Universum, HT16
Metod 5 - Mikrolens-metoden
När två stjärnor råkar
hamna precis bakom
varandra förstärks
ljuset av den bakre
stjärnan genom en
gravitationslins.
Kurvan för en
gravitationslins är
mycket typisk, och
avvikelser i kurvan
avslöjer att en planet
som kretsar kring den
främre stjärnan
skapar sin egen lins.
24/11
Livsbetingelser i Universum, HT16
Mikrolens-metoden
Metodens fördel liknar den för transitmetoden, nämligen
att den kan användas för många stjärnor på en gång.
Gravitationslinser uppstår dock sällan, vilket gör att riktigt
många stjärnor måste följas samtidigt.
En annan fördel är att metoden är mycket känslig för planeter
som går i banor som ligger relativt lång ifrån sina värdstjärnor.
Metodens nackdel är dels att händelsen bara inträffar en
enda gång, och att det krävs stora avstånder för
graviationslinseffekten att fungera. Avstånden är så stora
att det är omöjligt att sedan använda Dopplermetoden
för att mäta planetens massa.
24/11
Livsbetingelser i Universum, HT16
Andra metoder
Det finns några få andra metoder för att upptäcka
exoplaneter, till exempel pulsar-timing och
transit-timing. Dessa metoder har dock gett
bara några enstaka upptäckter.
Mycket hopp har satts till transit-timing, men metoden
verkar vara svårare att utföra än tänkt.
24/11
Livsbetingelser i Universum, HT16
Upptäckter per metod
(WikiMedia Commons)
24/11
Livsbetingelser i Universum, HT16
Upptäckter (totalt)
(WikiMedia Commons)
24/11
Livsbetingelser i Universum, HT16
De olika metodernas känslighet
24/11
Livsbetingelser i Universum, HT16
De olika metodernas känslighet
24/11
Att detektera 'jordliknande' planeter i jordliknande banor
är en väldig stor utmaning, men några 'superjordar' har hittats.
Livsbetingelser i Universum, HT16
Exoplanetsystemen liknar inte solsystemet
24/11
Livsbetingelser i Universum, HT16
Exoplanetsystemen liknar inte solsystemet
24/11
Livsbetingelser i Universum, HT16
Planetmigration
Standardmodellen för bildning av planetsystemet kan inte
förklara den stora variationen bland exoplanetsystem. Det
måste finnas en mekanism för att flytta planeter inom ett
planetsystem.
24/11
Livsbetingelser i Universum, HT16
Exoplaneter drar stor medieuppmärksamhet
24/11
Livsbetingelser i Universum, HT16
Jordliknande planeter?
Men, vad betyder jordliknande?
24/11
●
En massa som liknar jorden?
●
En densitet som liknar jorden?
●
En planet inom den beboeliga zonen?
●
En planet med rätt atmosfär?
●
En planet med liv?
Livsbetingelser i Universum, HT16
GL 581 - ett spännande planetsystem
24/11
GL 581b :
GL 581c :
GL 581d :
GL 581e :
GL 581f :
GL 581g :
~16
~5.6
~5.6
~1.7
~7.0
~3.1
jordmassor
jordmassor
jordmassor
jordmassor
jordmassor
jordmassor
Livsbetingelser i Universum, HT16
Kepler 186f
24/11
Livsbetingelser i Universum, HT16
Kepler 452b
24/11
Livsbetingelser i Universum, HT16
24/11
Livsbetingelser i Universum, HT16
Proxima Centauri b
Minimimassa: 1.27 jordmassor – Minimiradie 1.1 jordradier – yttemperatur 234 K (−39 °C)
24/11
Livsbetingelser i Universum, HT16
Proxima Centauri b
Minimimassa: 1.27 jordmassor – Minimiradie 1.1 jordradier – yttemperatur 234 K (−39 °C)
24/11
Livsbetingelser i Universum, HT16
Exoplaneterna är större än förväntad
(Chabrier et al. 2009)
Exoplaneternas storlek är enbart känd för transitplaneterna.
Dessa ligger mycket nära sina värdstjärnorna. Instrålningen
'blåser upp' gasplaneterna.
24/11
Livsbetingelser i Universum, HT16
Första (temperatur)karta över en exoplanet
24/11
Livsbetingelser i Universum, HT16
Spektroskopi
Krävs för att bestämma planternas sammanställning
HR 8799
The Astrophysical Journal Letters, Volume 710, Issue 1, pp. L35-L38 (2010)
24/11
Livsbetingelser i Universum, HT16
Atmosfärernas sammanställning
Nature 452, 329-331 (20 March 2008)
24/11
Livsbetingelser i Universum, HT16
Spektroskopiska tecken som
visar på förekomsten av liv
24/11
Livsbetingelser i Universum, HT16
55 Cancri e
Tsiaras et al., ApJ 2016
24/11
Livsbetingelser i Universum, HT16
Slutsatser för idag
Det finns många metoder för att upptäcka
exoplaneter, alla med sina för- och nackdelar.
●
●
●
24/11
Ingen av de nuvarande tekniker kan detektera
'jorden kring solen', men inom 20 år finns de.
Definitionen av begreppet 'jordlik' planet är
otydlig, men används flitigt.
Med spektroskopiska tekniker har man för några
få planeter kunnat bestämma atmosfärens
sammanställning.
Livsbetingelser i Universum, HT16
Nästa tillfälle
●
●
24/11
Vad krävs för att (intelligent) liv skulle kunna
hittas i andra planetsystem?
Hur kan man bestämma om förutsättningar
för liv finns i andra planetsystem?
●
Hur mycket liv kan man vänta sig i vår galax?
●
Är vi ensamma?
Livsbetingelser i Universum, HT16
24/11
Livsbetingelser i Universum, HT16
