Potraga

za ekstrasolarnim

planetima

Dijana

Dominis

Prester, FFRI

5. znanstveni

sastanak

HFD-aPrimošten, 6.10.2007.

Zašto tražimo egzoplanete?

Zašto tražimo egzoplanete?

Zašto tražimo egzoplanete?

•

Ima

li

života

na drugim

planetima?•

Egzobiologija

•

Razumijevanje stvaranja

i

strukture

sustava planeta

i zvijezda

•

Razvoj

metoda

potrage

za ekstrasolarnim

planetima

•

Efekt

gravitacijske

leće•

Metoda

omjera

toka

zračenja

•

Potraga

astrometrijom

Povijest i metode

•

Prvi planeti izvan Sunčevog sustava

otkriveni su

oko pulsara•

Arecibo

radio teleskop

(Wolszczan

&

Frail

1992)•

Mjerenja anomalija u periodu pulsiranja

•

Zasad nekoliko planeta:

ZemljeMm34 1010 →≈ −

Što je ekstrasolarni planet?

•

Pulsar: ostatak

eksplozije

supernove-

planete

stvorene

od

izbačene

tvari?

•

“Ekstrasolani

planet

je planet u orbiti zvijezde

koja nije naše Sunce”

(IAU)

•

Definicija isključuje planete oko pulsara, kao i “planete lutalice”

(free-floating

planets)•

Zasad

otkriveno

oko

250 egzoplaneta

Metoda radijalnih brzina

Metoda radijalnih brzina

•

Mjeri se Dopplerov

pomak

u spektru matične zvijezde

•

Prvo otkriće egzoplaneta

u orbiti zvijezde Glavnog niza

H-R dijagrama, 51 Pegasi

b

(Mayor

& Queloz

1995)- “vrući Jupiter”: m=0.5M(Jup), T=1200K

•

Moguće je odrediti samo donju granicu mase

planeta!

(ne znamo

kut

nagiba

orbite)

•

Zasad

najviše

otkrića

egzoplaneta

( >200)

Tranziti

Tranziti•

Samo veliki planeti

blizu matičnih

zvijezda

•

Prvo

otkriće: “vrući Jupiter”

m=0.7M(Jup) oko zvijezde HD209458 u zviježđu Pegaza (Charbonneau

et al. 1999)

•

CoRoT

(lansiran

u prosincu

2006, prvi

planet otkriven

u svibnju

2007)

•

Otkriće

vodene pare atmosferi egzoplaneta (Tinetti

et al., srpanj

2007)

-

mjerenja svjetlosnih

krivulja

u IR području (Spitzer

Space

Telescope)

Direktno snimanje

•

Dosad 4 kandidata•

Prvi: 2M1207b u orbiti smeđeg patuljka (Chauvin

et

al. 2004)•

Snimljen pomoću VLT-a u IR području

•

m

~ 3M(Jup)•

veliki

planeti

u

dalekim

orbitama

Gravitacijska leća

•

Gravitacijska

sila•

Masa

-

zakrivljuje

zraku

svjetlosti•

Veća masa

uzrokovat

će veći kut

otklona

•

J. Soldner

(1804)•

A. Einstein (1911)

IZVOR

LEĆA

OPAŽAČ

OPAŽAČ IZVOR

SLIKA 1

SLIKA 2

Mikroleća: izvor

se ne može

razlučiti

od

slike

Einsteinov

polumjer:

SL

LStot

DDcDGMR 20

4=

Točkasta

gravitacijska

leća

SD

LD LSD

Naša

galaksija

(Mliječni

put)

2

max2min ⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ −+=

Etttuu

42

2

2

+

+=

uuuA

Povećanje:

(Faktor impakta: )minu

Ali…

•

Oko

polovica

zvijezda

u Mliječnom putu: u dvojnim

sustavima

•

modeliranje

leće

i izvora•

Planetarni

sustavi: također

dvojni

ili

višestruki, s ekstremnim

omjerima

mase

Svjetlosna

krivulja

dvojne

leće

EROS-BLG-2000-5

KAUSTIK(CAUSTIC):krivulje

vrlo

jakog

povećanja

Model dvojne leće (BL-SS)•

koristimo tzv. Ray-shooting metodu

=> mape povećanja

(magnification patterns)

-

da bismo iz svjetlosne krivulje izračunali parametre sustava koristimo numeričke metode optimizacije

(GA, Powell,

adaptive contouring...)

),,,,( 00 blendizvorE FFtut

pixRE

10005 ≡

.).2(~6.03.0

UARd

q

E==

SunRpix 51 ≈

)1000,1000(),()1,1(),(

106.0

453.0

22

11

*

==

===

=

yxyx

RRRd

iq

Sun

E

o

Animacija: ©

Dijana Dominis

Efekt gravitacijske mikrolećeIzvor –

1 zvijezda, Leća –

1 zvijezda

Animacija: ©

Scott Gaudi

Izvor –

1 zvijezdaLeća –

zvijezda + planet

Animacija: ©

Scott Gaudi

Izvor

–

2 zvijezde (dvojni sustav A+B)Leća –

1 zvijezda

Anomalija: kratkog trajanja (~ dani, sati)

Degeneracija

rješenja

svjetlosne

krivulje

ERdq

3.110 3

== −

3105 −×=B

A

FF

Puna crta:Leća je dvojna zvijezda

Isprekidana crta:Izvor je dvojna zvijezda

Model dvojne zvijezde izvora (BS-SL)•

Svjetlosna krivulja je linearna kombinacija dviju krivulja:

•

n različitih teleskopa•

Kôd BISCO za optimizaciju rješenja svjetlosne krivulje (Dominis 2005) koristi genetički algoritam

PIKAIA (Charbonneau

1995) u potrazi za najboljim rješenjem

),(2

)/),(),(),(),(,(

)()()(

0000i

blendiA

BAE

iblendB

iBA

iA

FFn

FFBtAtBuAut

FtAFtAFtF ++=

Mreža PLANET teleskopaOGLE

i MOA

prate

brojne zvijezde i šaljuupozorenja o promjenama sjaja

PLANET

: (Probing Lensing Anomalies NETwork)- 24-satno praćenje- vrlo česta i preciznamjerenja sjaja -

Home base

Snimka dijela nebau smjeru središta Mliječnog Puta(između Strijelca iŠkorpiona)

I filter

Vidimo izvor svjetla,zvijezdu tipa G4III

0.5‘KTRR

G

SunceG

5200~10~

*

*

"38'22302.19min5417

°−==

δα sh

Prividna promjena sjaja OGLE-2005-BLG-390

Animacija: ©

PLANET

Svjetlosna krivulja OGLE-2005-BLG-390

Rješenje sustava i parametri OGLE-2005-BLG-390Lb

•

Masa planeta: •

Masa matične zvijezde:

•

Udaljenost planeta od zvijezde:

•

Udaljenost sustava od nas:

ZemljeP MM5.57.25.5

+−=

SuncaM MM21.011.0* 22.0

+−=

lykpcD MP 000,20~6.60.10.1*

+−+ =

..7.2 5.1 6.0 UAdP+−=

(J.P. Beaulieu,...,D. Dominis,..., et al.: PLANET/RoboNET, OGLE, MOA), 2006, Nature, 439, 437)

Putanja zvijezde izvora (G div) u odnosu na sustav Planet + M zvijezda(mapa povećanja)

Pizvor mR ⇒*

Značaj i nedoumice okrića OGLE-2005-BLG-390Lb

•

Prvi mali

čvrsti hladni

planet u orbiti zvijezde Glavnog niza otkriven dosad

•

Metoda obećaje da ćemo pomoću nje pronaći egzoplanete mase Zemlje

•

Potvrda teorije o stvaranju planeta

(core accretion)

•

Ne možemo opet opažati događaj, niti vidjeti sustav leće (planet+zvijezda)

•

Ne znamo kakva mu je orbita

A što

bi se bilo

desilo

da

je

one fatalne

noći

u Perthu

bilo

oblačno?…. Ne

bismo

bili

sigurni

da

li

je

drugi

vrh

prouzročio

planet, ili dvojni

izvor!

Metoda omjera toka zračenja (Dominis 2006)

)()(

)()(

VFVF

IFIF

B

A

B

A ≠Dvojni izvor –

jednostruka leća:

I V

Metoda

omjera

toka

zračenja

•

U slučaju

jednostrukog

izvora

-

dvostruke leće

(s planetom)

relativni

odnosi

visina

dvaju

vrhova

su

isti

u I i V vrpcama•

Problem: za

mjerenja

u V vrpci

potrebno

dulje

vrijeme

ekspozicije

od

I, zbog

jače apsorpcije

međuzvjezdanom

tvari

(više

teleskopskog

vremena)•

Prednosti: pronalaženje

većeg

broja

planeta, te

dvojnih

izvora

Svega nekoliko dodatnih mjerenja u V vrpci

može razlučiti dvojni izvor s jednostrukom lećom

od

dvojne leće (zvijezda + planet) s jednostrukim izvorom

!

I V

Astrometrija

•

Najstarija

metoda

potrage za egzoplanetima (1943. prvi neuspio pokušaj, te kasnije u 60-

ima)•

Komplementarna metodi radijalnih brzina

(osjetljiva na orbite okomite na liniju promatrača, i planete s velikim polumjerima orbita)

•

potrebna velika astrometrijska preciznost (uređaji budućnosti)

Astrometrijska oscilacija

(wobble):DmamA PP

*

"=

pcDMm

MmMm

UAagodinaP

PlanetWDRD

SunceRD

JupiterP

SunceWD

P

P

1025.0

15.0

..37

)]([

==

==

==

++

Relat

ivni p

oloža

j (arc

sec)

Vrijeme (dani)

Zbog čega tražimo planete oko bijelih patuljaka (WD)?

)()(

)()(

2*

1*

1

2

tMtM

tata

pl

pl =Gubitak mase =>

Očekujemo postojanje planeta oko bijelih patuljaka u dalekim orbitama (>5 A.U.) ali...

Dosad nije pronađena nijedna!

PRIMA / VLTI (Phase Referenced Imaging and Micro Arcsecond Astrometry)

- interferometrijski uređaj- početak rada 2008?- očekuje se astrometrijska preciznost od 10 mikro lučnih sekundi!

(u najgorem slučaju 100)-

trebamo sjajnu referentnu zvijezdu

2“

< d(objekt,ref.zvijezda) < 60“

-

lista poznatih sjajnih dvojnih sustava (WD-RD)

2MASS, 90“x90“(2003)

WD: L 923-21, RD: L923-22 (K=12.4) (K=7.4)

d=27“D=10pc

SuperCOSMOS SS(1988)

Simulirana astrometrijska mjerenja (PRIMA)

plavo: modelcrveno: najbolji fit

Saga se nastavlja…

•

Nekoliko

novih

planeta

otkriveno

u PLANET opažačkoj

sezoni

2007.

•

Budućnost: -

Astrometrija: mase

i orbite

-

Svemirske

misije

(Spitzer, CoRoT, GAIA, SIM, Kepler…)-

Teleskopi

na

Antarktiku

HR dijagram (tipovi zvijezda)

Fotometrijski sustav UBVRI i filteri

Isochrone for 10 Gyr (D=8 kpc)

I

(V-I)

•

Dvojni izvor •

Dvojna leća

632/608.../

)7515(/)00080059.0(

)01.034.0()13.037.11(

=

±=±=

±==±=

2 fod

FFRu

Rudt

AB

EA

EB

E

χ 631/562.../

)008.0610.1(10)7.06.7(

)005.0359.0()11.003.11(

50

=

±=±=

±=±=

2

−

fod

Rdq

Rudt

E

E

E

χ

Usporedba modela

Određivanje parametara sustava pomoću gustoće vjerojatnosti

)(

'

'

4' 22

θαθβ

αα

αβθ

α

φ

−=

=

+=

=

−=

S

LS

LSSS

DD

DDD

uuc

GMr

GM Gravitacijski potencijal

u –

kutna udaljenost zrake od mase

Jednadžba grav. leće

∑

∑

−−

−=

=

=

−−

=

Ε

Ε

n

i i

ii

n

i i

ii

xxxxmxy

y

x

xxxxm

cGx

2

22

||

,

||4)(

θβ

θθ

α

Za n točkastih masa:

Einsteinov prsten

ERdq

33.0

==

ERdiq

145

0.1o

==

=

Animacija: ©

Dijana Dominis

Chile: 1.5 m

Tasmanija

(Australija): 1.0 m

Teleskopi

Svjetlosna krivulja točkaste leće

Izvor

–

2 zvijezde (dvojni sustav A+B) Leća –

1 zvijezda

OGLE-2004-BLG-347

Dosad nije 100-tno potvrđen nijedan dvojni izvor!

Degeneracija rješenja svjetlosne krivulje

!!???!§%3*$&

8.1../ =2 fodχ

BL-SS fit

Genetički algoritmi

•

Numerička optimizacija

rješenja inverznog problema

(svjetlosna

krivulja => skup fizikalnih parametara)•

Koristi metode prirodne selekcije (odabir roditelja, mutacija, križanje)

•

Pogodan za vrlo složene parametarske prostore s mnogo lokalnih minimuma

-

nasumična početnapopulacija- np

jedinki

- ng

generacija- traži se najbolji

FITNESS

–

kriterij odabira roditelja unutar populacije

(suma kvadratnih odstupanja modela od mjerene krivulje po stupnju slobode)

⇒Vjerojatnost odabira jedinke za križanje: veliki FITNESS⇒ vjerojatnost brisanja jedinke:mali FITNESS

.../2 fodχ

Mikroleće u smjeru središta Mliječnog Puta

tjedanatkmsV

masUARkpcDkpcD

E

E

S

d

101100

0.1..0.45.80.60.60.5

1

−≈≈

≈≈−≈−≈

−

Water vapour

detected in the atmosphere of a hot Jupiter transiting planet (Tinetti

et al, July 2007)

Interferometric Astrometry

The differential phase

IntAtmObject

ObjectstarR

OPDOPDSB

OPDOPD

+++Δ

=−−

φπλ

2

Naseljive zone:područja u kojima su uvjeti pogodni za stvaranje života

Tekuća voda!

Slide Number 1Zašto tražimo egzoplanete?Zašto tražimo egzoplanete?Zašto tražimo egzoplanete?Slide Number 5Povijest i metodeŠto je ekstrasolarni planet?Metoda radijalnih brzinaMetoda radijalnih brzinaSlide Number 10TranzitiTranzitiDirektno snimanjeGravitacijska lećaTočkasta gravitacijska lećaSlide Number 16Slide Number 17Ali…Svjetlosna krivulja dvojne lećeModel dvojne leće (BL-SS)Slide Number 21Slide Number 22Slide Number 23Slide Number 24Slide Number 25Slide Number 26Degeneracija rješenja svjetlosne krivuljeModel dvojne zvijezde izvora (BS-SL)Mreža PLANET teleskopaSlide Number 30Slide Number 31Svjetlosna krivulja OGLE-2005-BLG-390Rješenje sustava i parametri�OGLE-2005-BLG-390LbSlide Number 34Značaj i nedoumice okrića �OGLE-2005-BLG-390LbSlide Number 36Metoda omjera toka zračenja �(Dominis 2006)Metoda omjera toka zračenjaSlide Number 39Slide Number 40AstrometrijaSlide Number 42Zbog čega tražimo planete �oko bijelih patuljaka (WD)?PRIMA / VLTI�(Phase Referenced Imaging and Micro Arcsecond Astrometry)Slide Number 45Slide Number 46Saga se nastavlja…HR dijagram (tipovi zvijezda)Fotometrijski sustav UBVRI i filteriIsochrone for 10 Gyr (D=8 kpc)Slide Number 51Određivanje parametara sustava pomoću gustoće vjerojatnostiSlide Number 53Za n točkastih masa:Slide Number 55Einsteinov prstenSlide Number 57Slide Number 58TeleskopiSlide Number 60Svjetlosna krivulja točkaste lećeIzvor – 2 zvijezde (dvojni sustav A+B)�Leća – 1 zvijezda�Slide Number 63Degeneracija rješenja svjetlosne krivuljeSlide Number 65Genetički algoritmiSlide Number 67Slide Number 68Mikroleće u smjeru središta Mliječnog PutaSlide Number 70Slide Number 71Interferometric AstrometryThe differential phaseSlide Number 74Slide Number 75