Bolygómozgások más csillagok körül

Az előadások a következő témára: "Bolygómozgások más csillagok körül"— Előadás másolata:

1 Bolygómozgások más csillagok körül
Érdi Bálint ELTE Csillagászati Tanszék HD 69830 HD PSR B c

2 Giordano Bruno ( ) Galilei ( ) Kepler ( ) Párbeszéd a végtelenről, a világ egységéről és a világokról Dissertatio cum Nuncio Sidereo (1610) „…most már nem való- színűtlen, hogy nemcsak a Hold, hanem még a Jupiter is lakott… „

3 G. V. Schiaparelli (1877) Mars-térképek: canali Percival Lowell ( ) 1891 Francia Akadémia díja: frank

4 Első Naprendszeren kívüli bolygó:
1995. október 6. Michel Mayor, Didier Queloz, Univ. de Geneve 51 Pegasi (G2, m=1.11 m R=1.266 R T=5793 K) S S

5 A. Wolszczan, D. Frail: 3 bolygó a PSR pulzár körül B. Campbell, G.A.H. Walker, S. Yang: bolygó a Gamma Cephei körül RV mérés, bizonytalan 2003-ban megerősítették: Hatzer et al. P. van de Kamp bolygók a Barnard csillag körül W.S. Jacob: bolygó a 70 Ophiuci körül F.R. Moulton: a hármas rendszer instabil

6 Exobolygók Naprendszeren kívüli, más csillagok körüli bolygók
2009. április 10.: exobolygó 292 bolygórendszerben 37 többes rendszer 25 kettes 10 hármas 1 négyes HD 1 ötös Cnc

7 Megfigyelési programok
Föld felszíni: 55 működő 22 tervezett 2 befejezett Legeredményesebbek: California & Carnegie Planet Search: exobolygó! Anglo-Australian Planet Search Program: 25 exobolygó Coralie+Elodie of Geneva Observatory: exobolygó HATNet (Hungarian Automated Telescope Network): 11 exobolygó Bakos Gáspár 6 db 11 cm-es 8x8 fokos látómezejű távcső Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics

8 Űrprogramok: 5 működő, 14 tervezett
Működő programok: CoRoT (Convection, Rotation and Transits) felbocsátás december 27-én csillag megfigyelése 7 exobolygó felfedezése köztük az eddigi legnagyobb: CoRoT-Exo-3b 21,6 Jupiter-tömeg

9 és az eddigi legkisebb: 2009. február
CoRoT-Exo-7b D =1.7 D kőzetbolygó P=20 óra T= C HST (Hubble Space Telescope): 2002, asztrometria, Gliese 876b Spitzer Space Telescope: bolygók termális emissziója F

10 Legújabb program: Kepler (NASA): március pm EST csillag

11 Tervezett programok: Gaia (ESA): 2011. december
1 milliárd csillag pozíció és RV James Webb Space Telescope: 2013 infravörös képalkotás Darwin 2015 Terrestrial Planet Finder (TPF): bizonytalan időre elhalasztva

12 Megfigyelési módszerek
asztrometria radiális sebességmérés átvonulási fotometria gravitációs mikrolencse cirkumsztelláris porkorong direkt képalkotás

13 mérések az 1950-es évek óta:
Asztrometria mérések az 1950-es évek óta: sikertelen 33 fényévről a Nap mozgásának amplitúdója 0,002 ívmásodperc 2002 Hubble űrtávcső: Gliese 876 egyik már ismert bolygóját megmérte 876b

14 Radiális sebességmérés
Első exobolygó 51 Pegasi 1995. október 6. M. Mayor, D. Queloz Pontosság: 1m/s HARP spektrométer, ESO, 3.6 m HIRES, Keck Obszervatórium Legtöbb bolygót ezzel a módszerrel fedezték fel (318 bolygóra van RV) Nap esetében: 12m/s (Jupiter hatása) Hátránya: tömeget nem ad, mert a pályahajlást nem ismerjük

15 Átvonulási fotometria
Merkúr átvonulás OGLE-TR-113 OGLE-TR-132 Igen forró „Jupiter”ek Óriásbolygók Igen közel a *-hoz P<2 nap Csökkenés: 2 % lehet Előnye: RV méréssel együtt pontos paraméterek (58 bolygóra van átvonulási mérés) Hátrányai: csak akkor alkalmazható, ha a keringési sík a látórányba esik; más is okozhat fényességcsökkenést Bolygó hőmérsékletének meghatározása: 2005 SPITZER: TrES C fok HD b 860 C fok

16 Gravitációs mikrolencse
Gravitációs lencsehatás, melyhez bolygó is hozzájárul OGLE program (Optical Gravitational Lensing Experiment) >1000 megfigyelt eset 8 exobolygó Hátránya: megfigyelés nem ismételhető Előnye: Föld-méretű bolygó is észlelhető OGLE-2005-BLG-390Lb kis tömegű: 5,5 Föld-tömeg legtávolabbi bolygó: fényév leghidegebb: -220 C fok

17 Cirkumsztelláris porkorong
Infravörösben észlelhető HST, Spitzer Space Telescope Kis égitestek jelenlétére utal Naphoz hasonló közeli csillagok 15%-ánál megfigyelték Belső perem ~ 133 AU Külső perem ~ 158 AU Bolygó ~ 119 AU

18 Első lefényképezett exobolygó!
Direkt képalkotás Bolygó fénye gyenge, csillag túlragyogja Lefényképezhető, ha nagyméretű távol van a csillagtól fiatal (inravörösben erősen sugároz) További felvételek: összesen 11 GQ Lupi b, AB Pictoris b SCR 1845 (barna törpék?) Első lefényképezett exobolygó! 2004 július, ESO, VLT, Chile: 2M1207b m=4 MJ a=41 AU GQ Lupi b

19 Fomalhaut b: első bolygó látható fényben
P. Kalas május, HST felvételek HR 8799: első közvetlenül észlelt bolygórendszer C. Marois november, Keck, Gemini infravörös észlelések

20 legöregebb: PSR B 1620-26b: 13 milliárd év
Különleges esetek: legöregebb: PSR B b: 13 milliárd év pulzár+fehér törpe körül kering legtávolabbi: OGLE-2005-BLG-390Lb: fényév leghidegebb: ugyanez: -220 C fok legkisebb: HD 40307b: 4 Föld-tömeg, 0,047 AU-ra (eddig 8 szuper-Föld: kisebb 10 Föld-tömegnél) legnagyobb: CoRoT Exo3b: 21,6 Jupiter-tömeg legkisebb tömegű transit bolygó: HAT-P-10b: 0,46 Jupiter-tömeg 2008. szeptember vízpára első észlelése: 2007, HD b első szerves molekula észlelése: márc metán HD b CoRoT-Exo-7b: első kőzetbolygó február

21

22 Exobolygók tulajdonságai
Nagy tömeg Közeli pályák (Forró Jupiterek) Nagy excentricitás

23 Fő kutatási területek:
megfigyelési módszerek csillagok asztrofizikai jellemzői bolygók keletkezése bolygó-protoplanetáris korong kölcsönhatás migráció bolygók légköre bolygórendszerek dinamikája

24 Dinamikai osztályozás
Több bolygót tartalmazó rendszerekben gravitációs kölcsönhatás erőssége alapján Barnes & Quinn (2004) Beaugé et al. (2005), Ferraz-Mello et al. (2005) I. osztály I: P2/P1<3 a: Bolygók rezonáns pályákon b: Kis excentricitású, közel rezonáns párok II. osztály: P2/P1< Kölcsönható bolygók III. osztály: P2/P1>30 Hierarchikus rendszerek

25 Ia. osztály: Bolygók rezonáns pályákon
Nagy tömegek, szoros és közeli pályák, nagy excentricitás Erős perturbációk Stabilitás csak rezonáns pályákon lehetséges Stabilitás kritikusan függ a pályaelemek pontosságától Nagy excentricitás eredete: planetáris migráció kölcsönhatás a bolygók és a csillag körüli gázkorong között Klay (2001, 2003), Papaloizou (2003)

26 Ia osztály: Bolygók rezonáns pályákon
Star Period m.sin i a Period Eccentricity planets ratio (m_Jup) (AU) (days) HD c,b GJ c,b HD ~ b,c (?) (?) 55 Cnc b,c(?) HD b,c HD b,c

27 GJ 876 First resonant exoplanetary system: 2:1 Marcy et al. (2001)
b: m=1.90MJ c: m=0.60MJ Resonance variables: θ1=λ1-2λ2+ω1~0, θ2=λ1-2λ2+ω2~0, Δω=ω1-ω2=θ1-θ2~0 apsidal lines aligned, apsidal corotation Comparison: Io-Europa (Jupiter satellites) 2:1 resonance, θ1~0, θ2~180, Δω~180, apsidal lignes antialigned Earth Venus Mercur e a [AU] Érdi & Pál (2002)

28 Ib osztály: Kis excentricitású, közel rezonáns párok
Rezonanciákhoz közeli, kis periódusok Kis excentricitások Egy exobolygó-rendszer Három pulzár bolygó Star Period Mass a Period Eccentricity (PSR) ratio (m_Earth) (AU) (days)

29 47 UMa Kis periódus arány(2.38) Pályák viszonylag messze
Excentricitás kicsi Kölcsönhatás nem olyan erős Egyetlen exobolygó-rendszer, mely hasonló a Naprendszerhez Közel rezonanciákhoz 5:2 (or 7:3, 8:3) Jupiter Mars b: m=2.41MJ c: m=0.76MJ Psychoyos & Hadjidemetriou (2005): 5:2 resonant symmetric periodic orbits Zhou & Sun (2004): apsidal secular resonance

30 II osztály: Kölcsönható bolygók
Star Period m.sin i a Period Eccentricity planet ratio (m_Jup.) (AU) (days) mu Ara b c 55 Cnc e b Ups And b c d HD 12661b c HD169830b c HD b c

31 Ups And tömegek b 0.69 MJ C 1.89 MJ d 3.75 MJ Két külső bolygó c,d:
Jupiter Mars tömegek b MJ C MJ d MJ Két külső bolygó c,d: apszisvonal libráció ~0, A~47 fok (Libert & Henrard 2006)

32 III. osztály: Hierarchikus rendszerek
Star Period m.sin i a Period Eccentricity ratio (m_Jup) (AU) (days) HD b,c HD b,c HD b,c mu Ara d,b 55 Cnc c,d HD b,c

33 Feltételezett Föld-típusú bolygók stabilitásának vizsgálata
Jones et al. (2001, 2005, 2006), Menou & Tabachnik (2003) Sándor, Süli, Érdi, Lohinger, Dvorak (2006) Stabilitási térképek sok millió kezdőfeltételre Alkalmazásai: a pályaelemek változása esetén is ismert a stabilitás új rendszerek pályaadatainak dinamikai realitása ismert exobolygó-rendszerek lakhatósági zónájának stabilitása Dynamical modell: elliptic RTBP Methods: RLI, FLI, MEM

34 Lakhatósági zóna: Víz folyékony halmazállapotban

35 Belső rezonanciák marginálisan stabil marginálisan stabil stabil

36 Belső rezonanciák részben stabil részben stabil

37 Külső rezonanciák erősen kaotikus marginálisan stabil részben stabil

38 Külső rezonanciák erősen kaotikus

39 Köszönöm a figyelmet! Van Gogh: Éj a Rhone-on (Arles, 1888)

40

41 Trójai exobolygók? Naprendszerben sok példa L4 körüli mozgásra
sok ezer Trójai kisbolygó Mars és Neptunusz Trójai kísérői

42

43 Trójai bolygók exobolygó rendszerekben?
Első tanulmámyok: Laughlin & Chambers (2002) Nauenberg (2002) Keletkezési elméletek: Laughlin & Chambers (2002) Chiang & Lithwick (2005) Thommes (2005) Cresswell & Nelson (2006) Beaugé, Sándor, Érdi , Süli (2007, A&A 463, 369) Morbidelli et al. (2005)

44 Megfigyelések: RV, asztrometria, átvonulási fotometria Gozdziewski & Konacki (2006) HD , HD :1 rezonanciában de 1:1 lehetséges HD :1 rezonanciában (Tinney et al. 2006) Ford & Gaudi (2006), Ford & Holman (2007) RV és átvonulási fotometria kombinálása Stabilitási vizsgálatok: Érdi, Sándor (2005, CeMDAm 92, 113) 9 rendszer Dvorak et al. (2004) Schwarz et al. (2005, 2007) Ji et al. (2005) 47 UMa Ji et al. (2007) HD69830 hármas rendszer

45 Megfigyelések: RV, asztrometria, átvonulási fotometria Gozdziewski & Konacki (2006) HD , HD :1 rezonanciában de 1:1 lehetséges HD :1 rezonanciában (Tinney et al. 2006) Ford & Gaudi (2006), Ford & Holman (2007) RV és átvonulási fotometria kombinálása Stabilitási vizsgálatok: Érdi, Sándor (2005, CeMDAm 92, 113) 9 rendszer Dvorak et al. (2004) Schwarz et al. (2005, 2007) Ji et al. (2005) 47 UMa Ji et al. (2007) HD69830 hármas rendszer

46 R. Schwarz (www.astro.univie.ac.at/adg)

47 e=0.05

48 e=0.1

49 Határoló görbe: Danby (1964), Meire(1981)
Ábra újdonsága: stabil tartomány méreteloszlása Kapcsolat rezonanciákkal?

50

51 Resonant curves: B 2:1 μ= … B 3:1 μ= … Deprit and Deprit (1967) non-linear instability of L4 in the circular RTBP A 2:1 stronger than B 3:1 B11 is from Tschauner (1971) analytical solution

52