Bolygómozgások más csillagok körül Érdi Bálint ELTE Csillagászati Tanszék HD 69830 HD 188753 PSR B1620-26c

Giordano Bruno (1548-1600) Galilei (1564-1642) Kepler (1571-1630) 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… „

G. V. Schiaparelli (1877) Mars-térképek: canali Percival Lowell (1855-1916) 1891 Francia Akadémia díja: 100 000 frank

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

A. Wolszczan, D. Frail: 3 bolygó a PSR 1257+12 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

Exobolygók Naprendszeren kívüli, más csillagok körüli bolygók 2009. április 10.: 344 exobolygó 292 bolygórendszerben 37 többes rendszer 25 kettes 10 hármas 1 négyes HD 160691 1 ötös 55 Cnc

Megfigyelési programok Föld felszíni: 55 működő 22 tervezett 2 befejezett Legeredményesebbek: California & Carnegie Planet Search: 121 exobolygó! Anglo-Australian Planet Search Program: 25 exobolygó Coralie+Elodie of Geneva Observatory: 11 exobolygó HATNet (Hungarian Automated Telescope Network): 11 exobolygó Bakos Gáspár 6 db 11 cm-es 8x8 fokos látómezejű távcső Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics

Űrprogramok: 5 működő, 14 tervezett Működő programok: CoRoT (Convection, Rotation and Transits) felbocsátás 2006. december 27-én 60 000 csillag megfigyelése 7 exobolygó felfedezése köztük az eddigi legnagyobb: CoRoT-Exo-3b 21,6 Jupiter-tömeg

és az eddigi legkisebb: 2009. február CoRoT-Exo-7b D =1.7 D kőzetbolygó P=20 óra T=1000-1500 C HST (Hubble Space Telescope): 2002, asztrometria, Gliese 876b Spitzer Space Telescope: bolygók termális emissziója F

Legújabb program: Kepler (NASA): 2009. március 6. 10.48 pm EST 100 000 csillag

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

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

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

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

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-1 790 C fok HD 209458b 860 C fok

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: 21 500 fényév leghidegebb: -220 C fok

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

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

Fomalhaut b: első bolygó látható fényben P. Kalas 2008. május, HST felvételek HR 8799: első közvetlenül észlelt bolygórendszer C. Marois 2008. november, Keck, Gemini infravörös észlelések

legöregebb: PSR B 1620-26b: 13 milliárd év Különleges esetek: legöregebb: PSR B 1620-26b: 13 milliárd év pulzár+fehér törpe körül kering legtávolabbi: OGLE-2005-BLG-390Lb: 21 500 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 189733b első szerves molekula észlelése: 2008. márc. 20. metán HD 189733b CoRoT-Exo-7b: első kőzetbolygó 2009. február

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

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

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<10 Kölcsönható bolygók III. osztály: P2/P1>30 Hierarchikus rendszerek

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)

Ia osztály: Bolygók rezonáns pályákon Star Period m.sin i a Period Eccentricity planets ratio (m_Jup) (AU) (days) HD 82943 1.99 1.7 0.75 219.5 0.39 c,b 1.8 1.18 436.2 0.15 GJ 876 2.02 0.597 0.13 30.38 0.218 c,b 1.90 0.21 60.93 0.029 HD 128311 ~2 2.58 1.02 420.5 0.30 b,c 3.24 1.74(?) 919(?) 0.29 55 Cnc 2.99 0.78 0.115 14.7 0.02 b,c(?) 0.22 0.24 43.9 0.44 HD 202206 5.06 17.5 0.83 256.2 0.433 b,c 2.41 2.44 1296.8 0.28 HD 73526 2.01 2.9 0.66 188.3 0.19 b,c 2.5 1.05 377.8 0.14

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)

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) 1257+12 2.63 0.02 0.19 25.262 -- 1.48 4.3 0.36 66.5419 0.0186 3.9 0.46 98.2114 0.0252

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

II osztály: Kölcsönható bolygók Star Period m.sin i a Period Eccentricity planet ratio (m_Jup.) (AU) (days) mu Ara b 4.63 1.67 1.50 645 0.20 c 3.1 4.2 2986 0.6 55 Cnc e 5.2 0.045 0.038 2.81 0.2 b 0.78 0.115 14.7 0.02 Ups And b 52.2 0.64 0.058 4.617 0.019 c 5.29 1.79 0.805 241.16 0.27 d 3.53 2.543 1276.15 0.25 HD 12661b 5.48 2.30 0.823 263.6 0.35 c 1.57 2.557 1444.5 0.20 HD169830b 9.32 2.88 0.81 225.62 0.31 c 4.04 3.6 2102 0.33 HD 37124 b 12.7 0.86 0.543 153.3 0.1 c 1.0 2.952 1942 0.4

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

III. osztály: Hierarchikus rendszerek Star Period m.sin i a Period Eccentricity ratio (m_Jup) (AU) (days) HD 168443 29.9 7.7 0.29 58.116 0.529 b,c 16.9 2.85 1739.5 0.228 HD 74156 39.2 1.86 0.294 51.643 0.636 b,c 6.17 3.40 2025 0.583 HD 11964 51.3 0.11 0.229 37.82 0.15 b,c 0.70 3.167 1940 0.3 mu Ara 67.5 0.044 0.09 9.55 0 d,b 1.67 1.50 645 0.20 55 Cnc 103 0.22 0.24 43.9 0.44 c,d 3.91 5.26 4517 0.3 HD 38529 151.9 0.78 0.129 14.309 0.29 b,c 12.7 3.68 2174.3 0.36

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

Lakhatósági zóna: Víz folyékony halmazállapotban

Belső rezonanciák marginálisan stabil marginálisan stabil stabil

Belső rezonanciák részben stabil részben stabil

Külső rezonanciák erősen kaotikus marginálisan stabil részben stabil

Külső rezonanciák erősen kaotikus

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

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

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)

Megfigyelések: RV, asztrometria, átvonulási fotometria Gozdziewski & Konacki (2006) HD 128311, HD 82943 2:1 rezonanciában de 1:1 lehetséges HD 73526 2:1 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

Megfigyelések: RV, asztrometria, átvonulási fotometria Gozdziewski & Konacki (2006) HD 128311, HD 82943 2:1 rezonanciában de 1:1 lehetséges HD 73526 2:1 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

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

e=0.05

e=0.1

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

Resonant curves: B 2:1 μ=0.013516… B 3:1 μ=0.024293… 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