Exoplanety
Co je exoplaneta a co hnědý trpaslík?
pro obě tělesa – jsou méně hmotné než hvězdy, ale mohou mít větší velikost!
 hnědý trpaslík - 13 až 75-80 MJup – teoreticky mohou zapálit deuterium nebo
lithium (ne trvale!)
 exoplanety - horní mez hmotnosti - 13 MJup
Exoplanety (extrasolar planet)
Existují planety také kolem jiných hvězd než Slunce?
antika – myslitelé – proč ne?
od 18. století - Laplace, Kant – vznik Sluneční soustavy
1988 - planeta γ Cep (hypotéza)
1989 – HD 114762b (potvrzeno až 1996)
1991/2 - A. Wolszczan, D. A. Frail – Arecibo - dva objekty 2.8 a 3.4 Mz
u pulsaru PSR1257+12
1995 - M. Mayor, D. Queloz - těleso u 51 Pegasi (od r. 2016 Dimidium)
2020 (17.12.) – 4389 exoplanet!, 3241 pl. soustav (např. HD 10180 - 9 planet;
GJ 667C – 7 planet) – zdroj: http://exoplanet.eu/catalog/
NASA: 4307 exoplanet, 5683 kandidátů, 3197 soustav (17.12.2020)
https://exoplanets.nasa.gov/discovery/exoplanet-catalog/
2019 Nobelova cena Mayor & Queloz & Peebles
„horcí jupiteři“ - exoplaneta Dimidium u hvězdy 51 Pegasi – velmi malá vzdálenost
od hvězdy -> povrch (nejspíš plynná atmosféra) až 1000 °C;
problém: zatím není plně v souladu s teorií vzniku planet
excentričtí exojupiteři - tělesa s velice protáhlou dráhou, připomíná
trajektorie krátkoperiodických komet;
problém: tak velké excentricity se nečekaly; není jasné, jak je objasnit.
exozemě (terran) – planeta o hmotnosti 0,5 - 5 MZ nebo poloměru 0,8 -1,5 RZ
např.: v sousedství pulsaru PSR1257+12, u Gliese 581 (kamenná, asi 1,5krát
větší než Země), KOI 500 (1,3 RZ), Kepler 20e, Kepler 42b,d – menší než Země
superzemě – planeta velikosti Země, maximálně do desetinásobku průměru
megazemě – planeta velikosti Země, ale mnohem hmotnější – Kepler 10c (průměr má
2,3x větší než Země, ale je 17x hmotnější!!)
exozemě v zónách života - u Gliese 581 - obíhá kolem mateřské hvězdy
ve vzdálenosti, která by mohla zajistit přítomnost vody v kapalném stavu na
povrchu planety
problém: jsou tam?
bludné planety (rogue planet, interstellar planet, nomad planet, free-floating planet, orphan
planet) - 22 objektů, z toho 2 potvrzené (prosinec 2020); SDSS J111010.01+011613.1 (10-12 MJ,
vzdál. 63 ly) a PSO J318.5-22, (5,5-8 MJ, vzdál. 80 ly)
exoměsíce exoplanet – 10 kandidátů
Rozmanité exoplanety
Na stopě cizích planet
Přímé pozorování planet jiných hvězd není zatím možné.
velký rozdíl jasností,
malá vzdálenost.
od 2004 už NEPLATÍ – Very Large Telescope
planeta u hnědého trpaslíka 2M1207
k 16.12. 2020 – 143 exoplanet, 106 soustav
hnědý trpaslík 2M1207 (modrý
objekt) a jeho planeta
(červeně) VLT – září 2006
Jupiter u hvězdy Proxima
Centauri obíhající ve
vzdálenosti 780 milionů km
exoplanety u hvězdy
HR8799 (1.5m Haleův
dalekohled, Palomar)
Gravitační mikročočky
132 exoplanet, 117 soustav
(k 16. 12. 2020)
Astrometrie - sledování pohybu vytypované
hvězdy na hvězdné obloze 12 planet (16. 12. 2020)
Timing - 45 exoplanet (4. 12. 2017)
Pulsar - anomálie v pulzech pulzarů (19)
Proměnné hvězdy – odchylky pravidelných
změn periodicky proměnné hvězdy (26)
Jupiter u hvězdy Proxima Centauri
obíhající ve vzdálenosti 780 milionů
kilometrů
Transit timing variation method (TTV)
= změny okamžiků středů transitů;
• u transitující exoplanety umožňuje objevit další členy
planetární soustavy, případně další hvězdu v systému
• velmi citlivá a použitelná i na velké vzdálenosti, kde RV nestačí
• umožňuje určit max. hmotnost objektu => odlišit hvězdy, hnědé
trpaslíky a planety
• poprvé u dat z Keplera: Kepler 19b TTV s amplitudou 5 min
a periodou ~ 300 dní => další planeta Kepler 19c
• k 16.12. 2020 20 exoplanet
Radiální rychlosti
– založeno na Dopplerově principu – využívá se posunu čar ve spektru
mateřské hvězdy,
- od 80./90. let 20. století – několik týmů, běžně 15 m/s, zlepšeno až na
přesnost 0,1 m/s! (Jupiter – 12,5 m/s, Země 0,1 m/s)
- dříve nejúspěšnější metoda (16. 12. 2020) – 912 planet, 670 planetárních
soustav, 165 víceplanetárních soustav
amatérský projekt, 40cm dalekohled
Transity
- pozorování přechodu exoplanety před mateřskou hvězdou;
- nyní nejúspěšnější metoda - 3117 exoplanet, 2338 soustav, 505 soustav s více
planetami (16. 12. 2020)
- program se zapojením amatérů a menších dalekohledů
- KEPLER, COROT, TESS
HAT = Hungarian-made Automated Telescope
TrES = The Transatlantic Exoplanet Survey
WASP = The Wide Area Search for Planets
NGTS = Next-Generation Transit Survey
XO, TRAPIST, MASCARA aj.
Kepler-16b: transitující
circumbinární planeta
Transit duration variation
method (TDV)
Změny trvání transitu - důsledek
působení dalšího tělesa v soustavě
nebo apsidální precese u
excentrické planety (přítomnost
další planety a důsledek OTR).
První případ circumbinární planety
Kepler 16b – objev potvrzen touto
metodou
ETD
2006-2013 - COROT (Convection, Rotation and
planetary Transits) na oběžné dráze družice (33
exoplanet a cca 600 kandidátů),
2009-2014 - družice Kepler – 4496 kandidátů
(2337 potvrzených, 30 exozemí v obyv. zóně)
Mise K2 (do 4.12.2017) – 892 kandidátů (425
potvrzených)
Obě prováděly nezávisle přesnou fotometrii vybraných
hvězd a hledaly exoplanety pomocí jejich tranzitů přes
disk mateřské hvězdy. Očekávalo se, že u 100 000
pozorovaných hvězd bude nalezeno 500 až 1 000
„exozemí“.
TESS (od 2018) – 82 potvrzených exoplanet,
2428 kandidátů (16.12.2020)
https://exoplanets.nasa.gov/tess/
Další projekty: PLATO (2026), New Worlds Mission,
Darwin, Space Interferemetry Mission, Terrestrial
Planet Finder, CHEOPS, PEGASE, …
Družicový výzkum
exoplanety z dat družice KEPLER
Výsledky družice KEPLER
2011 objev kolem hvězdy KOI-730 dvě
planety v jedné trajektorii!
2011 – první planety velikosti Země
2011/2012 nová třída exoplanet jako Tatooine
obíhají kolem dvojhvězdy (9 k 16.12.2020)
http://dx.doi.org/10.1038/nature10768
2013 – 1. odhad počtu exoplanet z pozorování
- 40 mld. exozemí kolem sluncí zónách života v Galaxii!
2015 - KIC 8462852 (Tabbyina nebo Boyajianové hvězda)
– nezvyklé změny jasnosti – zákryty kometami, stavbou cizí
civilizace...
http://www.astro.cz/apod/ap151205.html
Keplerův orloj IV
říjen 2020 – 60 exoplanet v zónách života
1 exomars, 23 exozemí, 36 superzemí
http://phl.upr.edu/projects/habitable-exoplanets-catalog
Hledání další Země
Atmosféry exoplanet
Planety na počátku vývoje
Všechny planety a velké družice:
tři hlavní části (podle hustoty): kůra, plášť a jádro.
zárodečná látka v místě vzniku planety
víceméně stejnorodá -> smršťování -> zahřátí -> rozčlenění látky dle hustot
(diferenciaci látky) - před asi 4,5 miliardy roků.
zdroje energie planety
- smršťování zárodku planety,
- teplo vznikající při dopadech zbytků těles na planetární povrch,
- teplo uvolňované rozpadem radioaktivních prvků v nitru planety.
Velké bombardování
- vrchol - před 4 miliardami let
- zbytky po tvorbě planet a jejich družic -> srážky s planetami -> vznik kráterů
na povrchu
- ukončení – před 3,5 miliardami let
velké kruhové pánve:
Měsíc - Mare Serenitatis, Mare Imbrium;
Merkur - Caloris Planitia;
Mars – Hellas;
Kallistó (u Jupitera) – Valhalla.
Mare Imbrium na Měsíci
Caloris Planitia na Merkuru. Pánev Valhalla (Jupiterova družice Kallistó).
Vývojový scénář sluneční soustavy
1 protoslunce
2 zárodečná mlhovina,
vznik vrstvy pevných
částic v rovině rotace
rovníku mlhoviny
3,4 akrece látky na
zárodky planet
5 vymetení zbytků plynu
ze soustavy
intenzivním slunečním
větrem
Představy ilustrátorů
Realita (2016, 2017)
RX J1615HD 97048 HD 135344B
VLT,
SPHERE
ALMA
HD 169142
Hvězdná vichřice
Dnešní Sluneční soustava - málo prachu a plynu
Kam se poděly všechny částice?
prachové částice - pád na Slunce, na planety a jejich družice
plyn – odvát slunečním větrem – velmi intenzivní => vichřice – čistka za
pouhý milion roků
„vyhozeno smetí“ (plyn a mikroskopický prach) o hmotnosti až 1 Mʘ
Následky vichřice na planetách
- vnitřní planety – ztratily zbytky původních atmosfér
- velké planety – žádné výrazné stopy, atmosféry zůstaly zachovány
v původní podobě.
v raných stadiích Sl. soustavy - planety a jejich velké družice - diferenciace látky podle
hustoty, intenzivní bombardování
před 4-3 mld let - období mohutného vulkanismu – vylévání podpovrchové čedičové
(=bazaltové) lávy do pánví a velkých kráterů
dnes – zřejmé stopy bombardování i etapy vulkanismu na terestrických planetách i na Měsíci
Planety dnes (stopy předchozího vývoje)
Útvary na povrchu planet a velkých družic
• sopky
• krátery
• pánve
• praskliny
• pevninské desky (jen u Země)
Magmatismus, vulkanismum
- formují povrch planet
magmatismus - působení magmatu v hloubce
vulkanismus - sopečná (vulkanická) činnost na povrchu
- u planet zemského typu - bazaltový (neboli čedičový) vulkanismus,
rozsáhlé, opakované výlevy lávy -> vznik bazaltových plošin (měsíční
moře, hladké plošiny na Merkuru, oceánská kůra na Zemi);
- štítové sopky - Olympus Mons na Marsu, Beta Regio na Venuši,
Havajské ostrovy na Zemi;
- měsíc Ió – jiný typ vulkanismu – důsledek slapových sil Jupiteru
Štítová sopka Olympus Mons na Marsu (průměr základny činí asi 550 km).
Impakty
= krátery po dopadu cizího tělesa - na všech planetách
a jejich družicích
vznik zejména v době intenzivního bombardování,
ale i dnes!
Země a další planety s intenzivním
geologickým vývojem – stopy zahlazeny;
„viditelné“ jen čerstvé krátery (cca 106 let
nebo 107 let staré)
tvar kráterů – kruhový – proč?
Vznik jednoduchého a komplexního impaktního kráteru.
Praskliny
Tektonické pochody jsou velice rozmanité, každá planeta či větší družice má svůj vlastní
tektonický styl.
Měsíc - jednoduchá tektonika soustavy trhlin a zlomů vzniklých:
- slapovými silami,
- smršťováním lávové výplně moří při vzniku impaktních pánví a velkých kráterů,
Mars - rozsáhlé příkopy a údolí, (Valles Marineris);
Venuše - tektonické procesy úzce spojeny se sopečnými;
Země – nejsložitější tektonika - rozpínání oceánského
dna, desková tektonika (výhradně u Země!)
obří planety – původní atmosféry
terestrické planety – prvotní atmosféry odvála sluneční vichřice,
druhotná - poznamenaná především geologickou aktivitou,
převládá oxid uhličitý
čím je planeta aktivnější, tím je její atmosféra hustší
Země – specifická atmosféra, vysoký obsah N, O; CO2 je málo;
důsledek fotosyntézy; zdrojem některých složek atmosféry
- hydrosféra (oceány)
Mars – dnes - nehostinná pustina, na povrchu jsou nízké teploty a sucho.
- v 1. miliardě roků – vlhká a teplá (v důsledku sopek) planeta; hustá
atmosféra z CO2 => silný skleníkový efekt; voda v tekutém stavu;
lijáky i sněhové bouře, řeky, vodní nádrže
- před asi 3,8 miliardy roků – konec prvotní sopečné činnosti -> pokles
koncentrace CO2 -> řídnutí atmosféry -> voda na povrchu zamrzla
nebo sublimovala; -> Mars téměř jako dnes
Proměny planetárních atmosfér
Osud Země určuje Slunce!
Slunce -> velmi zvolna zvyšuje
zářivý výkon i rozměry ve fázi
červeného obra:
poloměr 1 au,
zářivý výkon L=103 Lʘ,
Merkur pohlcen
velmi silný sluneční vítr -> zmenšení hmotnosti Slunce => zvětší se
vzdálenosti všech planet od Slunce (Země 1,7 au)
teplota Země výrazně vzroste => rozhodně neobyvatelná!
Život na stárnoucí Zemi
Země v současnosti
supervulkán
obří cyklón
rychlá změna mg. pole
dopad asteroidu
za 250 mil. let - vznik superkontinentu Pangea Ultima
Země za 700 milionů roků
vypařování oceánů -> větší skleníkový efekt -> zvýšení teploty na 40-80°C
Země za 1,5 miliardy roků
oceány se vypařily; překotný skleníkový jev, teplota > 200°C
mrtvá planeta
Země za 7 miliard roků
Slunce červeným obrem až do 1 au => Země dále, ale bez atmosféry
s nataveným povrchem
Země za 10 miliard roků
mrtvý svět u chladnoucího bílého trpaslíka
Osud Země určuje Slunce!
- ano, ale jen na astronomické časové škále (miliardy let)
vývoj klimatu na Zemi - mnohonásobně kratší
– desítky milionů, i jen tisíců (či pouze stovek?) roků
v současnosti - doba meziledová - několikanásobně delší než ty předchozí;
globální oteplování -> ale za stovky až tisíce roků další doba ledová
(zatím nikdo nezveřejnil důvod, proč by se tak nemělo stát).
civilizační změny - desítky až stovky roků - přímo nesouvisejí s přírodními jevy
budoucnost Země – není ve hvězdách, ale v lidech!