F7514 Exoplanety Marek Skarka Astronomický ústav Akademie věd České republiky, Ondřejov Ústav teoretické fyziky a astrofyziky, Masarykova univerzita, Brno 16. září 2022 Základní přehled F7514 Exoplanety ● Cílem předmětu je podat obecný přehled o exoplanetách, metodách a prostředcích k jejich výzkumu ● Ukončení zk (10 otázek bez přípravy, 30 minut), 2 kredity ● Přednášky živě + online, pátek 14:00-15:30 hodin ● Co byste měli (bylo by vhodné) znát: ● Principy spektroskopie, fotometrie, odhad chyb ● Stavba a vývoj hvězd, HRD, fázová křivka a světelné elementy, nebeská mechanika ● F3170, F4200, F3080, F4190, F5540 Základní přehled F7514 Exoplanety Co nás (vás) čeká: 1) 16.9. Definice exoplanety, taxonomie, historie výzkumu, obecný přehled 2) 23.9. Vznik planetárních soustav, Sluneční soustava 3) 30.9. Popis dráhy exoplanety, Dopplerův jev 4) 7.10. Spektroskopie a měření radiálních rychlostí 5) 14.10. Tranzitní metoda – principy 6) 21.10. Tranzitní metoda - pozorování 7) 28.10. - 8) 4.11. Další metody detekce exoplanet 9) 11.11. Vlastnosti exoplanet a jejich atmosfér 10) 18.11. - 11) 25.11. - 12) 2.12. Vlastnosti mateřských hvězd 13) 9.12. Astrobiologie a hledání života ve Vesmíru 14) 16.12. Předtermín? 15) 23.12. Předtermín? Zdroje – literatura PERRYMAN, M. A. C. The exoplanet handbook. Second edition. Cambridge: Cambridge University Press, 2018 ISBN 9781108419772 1) Introduction 2) Radial velocities 3) Astrometry 4) Timing 5) Microlensing 6) Transits 7) Imaging 8) Host stars 9) Brown dwarfs and freefloating planets 10) Formation and evolution 11) Interiors and atmospheres 12) The Solar system Zdroje – literatura PERRYMAN, M. A. C. The exoplanet handbook. Second edition. Cambridge: Cambridge University Press, 2018 ISBN 9781108419772 BOZZA, Valerio, Luigi MANCINI a Alessandro SOZZETTI. Methods of Detecting Exoplanets. 2016 ISBN 978-3-319-27456-0 1) Introduction 2) Radial velocities 3) Astrometry 4) Timing 5) Microlensing 6) Transits 7) Imaging 8) Host stars 9) Brown dwarfs and freefloating planets 10) Formation and evolution 11) Interiors and atmospheres 12) The Solar system 1) The radial velocity method 2) The transit method 3) The microlensing method 4) The direct imaging method Zdroje – literaturaDatabáze: https://exoplanetarchive.ipac.caltech.edu/ Důraz na Kepler, TESS, Kelt; velmi široká databáze https://exoplanets.nasa.gov/ Vizuálně dobře zpracovaná, PR http://exoplanets.org/ Zastaralá http://exoplanet.eu/ Velmi široká databáze https://exofop.ipac.caltech.edu/tess/view_toi.php Exoplanety z TESS phl.upr.edu/hec Exoplanety v obyvatelných zónách Data: https://archive.stsci.edu Applety: https://astro.unl.edu/nativeapps/ Novinky: http://nccr-planets.ch/ https://www.exoplanety.cz/ Články: https://arxiv.org/ https://ui.adsabs.harvard.edu/ Skripta zatím nejsou k dispozici ● Jsme ve Vesmíru sami? Jaké je naše místo ve Vesmíru? ● Jak vypadají exoplanety? Kolik jich ve Vesmíru je? ● Jak planetární systémy vznikají a jak se vyvíjejí? ● Je naše Sluneční soustava unikátní? ● Technický pokrok v přístrojích, zpracování a analýze dat ● Spojení mnoha disciplín nejen (stelární) astronomie ● Výzkum na hranicích možností Motivace Definice exoplanety Planeta Sluneční soustavy Planeta Vzdálenost od Slunce [au] Poloměr [RZ ] Hmotnost [MZ ] Doba oběhu [rok] Hustota [kg/m3 ] Merkur 0.4 0.4 0.06 0.24 5.4 Venuše 0.7 0.9 0.82 0.62 5.2 Země 1.0 1.0 1.0 1.0 5.5 Mars 1.5 0.5 0.11 1.88 3.9 Jupiter 5.2 11.2 317.8 11.9 1.3 Saturn 9.5 9.3 95.2 29.5 0.7 Uran 19.2 4.0 14.5 84.0 1.3 Neptun 30.1 3.9 17.2 164.8 1.8 Z řeckého 'planétes' = tulák Definice exoplanety Planeta Sluneční soustavy (IAU rezoluce B5, 2006): Nebeské těleso, které: ● Obíhá okolo Slunce ● Má dostatečnou hmotnost, aby vlivem vlastní gravitace překonalo síly tuhého tělesa a mělo tak ve stavu hydrostatické rovnováhy přibližně kulový tvar ● Vyčistilo okolí své dráhy ● ! neříká nic o horní hmotnosti těles! Planeta Vzdálenost od Slunce [au] Poloměr [RZ ] Hmotnost [MZ ] Doba oběhu [rok] Hustota [kg/m3 ] Merkur 0.4 0.4 0.06 0.24 5.4 Venuše 0.7 0.9 0.82 0.62 5.2 Země 1.0 1.0 1.0 1.0 5.5 Mars 1.5 0.5 0.11 1.88 3.9 Jupiter 5.2 11.2 317.8 11.9 1.3 Saturn 9.5 9.3 95.2 29.5 0.7 Uran 19.2 4.0 14.5 84.0 1.3 Neptun 30.1 3.9 17.2 164.8 1.8 Z řeckého 'planétes' = tulák Definice exoplanety Doporučené definice IAU z roku 2003: Planeta je těleso s hmotností pod hranicí, kdy je schopno fúzovat deuterium (cca 13 MJ ~ 13x0.01 MS ), které obíhá hvězdu nebo hvězdný zbytek. Minimální hmotnost je stejná jako pro planetu sluneční soustavy Hnědý trpaslík (brown dwarf, BD) je těleso s hmotností nad 13 MJ , které ale nemá dostatečnou hmotnost k fúzi vodíku. Nezáleží přitom jak těleso vzniklo. Hnědý podtrpaslík (sub-brown dwarf) je těleso volně se pohybující prostorem planetárních hmotností (planetární nomád) Definice exoplanety Doporučené definice IAU z roku 2003: Planeta je těleso s hmotností pod hranicí, kdy je schopno fůzovat deuterium (cca 13 MJ ~ 13x0.01 MS ), které obíhá hvězdu nebo hvězdný zbytek. Minimální hmotnost je stejná jako pro planetu sluneční soustavy Hnědý trpaslík (brown dwarf, BD) je těleso s hmotností nad 13 MJ , které ale nemá dostatečnou hmotnost k fůzi vodíku. Nezáleží přitom jak těleso vzniklo. Hnědý podtrpaslík (sub-brown dwarf) je těleso volně se pohybující prostorem planetárních hmotností (planetární nomád) OBECNĚ PŘIJÍMANÁ DEFINICE STÁLE NENÍ ZCELA JASNĚ DEFINOVANÝ PŘECHOD MEZI PLANETAMI A HNĚDÝMI TRPASLÍKY Definice exoplanety Burrows et al. 1997, ApJ, 491, 856 hvězdy - vznik kolapsem mezihvězdného mračna hnědí trpaslíci - vznik kolapsem mezihvězdného mračna - nad 65 MJ fůzují Li planety - vznik v protoplanetárním disku Alternativní definice planet na základě způsobu jejich vzniku Definice exoplanety – alternativy Soter, S. 2006, AJ, 132, 2513: Planeta je výsledný produkt akrece v disku okolo hvězdy nebo BD (tělesa s M<20-30 MJ ) Nad touto linií je těleso schopno vyčistit okolí své dráhy (Λ>1). hmotnost planety perioda v MZ oběhu v rocích Definice exoplanety – alternativy Soter, S. 2006, AJ, 132, 2513: Planeta je výsledný produkt akrece v disku okolo hvězdy nebo BD (tělesa s M<20-30 MJ ) Nad touto linií je těleso schopno vyčistit okolí své dráhy (Λ>1). hmotnost planety perioda v MZ oběhu v rocích Stern&Levison 2002, HiA, 12, 205 Definice exoplanety – alternativy Hatzes&Rauer 2015, ApJ, 810, 25 Hranice mezi planetami a BDs~60 MJ , MP <0.3 MJ – málo hmotné planety 0.3 50 % Ledoví obři – (Icy giants) - Neptuni - obsah H2 0 > 50 % Horcí Jupiteři (Hot Jupiters) - POrb < 9 dní, velké poloosy a < 0.1 au - velmi horcí Jupiteři (very hot Jupiters, Porb <3 dny) - ultra horcí Jupiteři (ultra-short-period hot Jupiters, Porb <1 den, pouze u hvězd s M* <1.25 MS ) Teplí Jupiteři (warm Jupiters) - Porb < 10 dní Taxonomie a značení exoplanet Hessman et al. 2010, arXiv:1012.0707 - Název podle katalogů (HD, WASP, HAT, Kepler, K2, TOI...) Přípony: - Mateřská hvězda: ‘a’ (neuvádí se) - první objevená exoplaneta: ‘b’ - další objevené exoplanety: ‘c’, ‘d’, ‘e’, … - Ve dvojhvězdách podle konfigurace - Exoměsíce římskými číslicemi Příklady: K2-18 b, 61 Cyg Ab, HD 189733 b ● Velikost a hmotnost exoplanet většinou výrazně menší než mateřských hvězd ● (RP :R* ~ 1:1-1:108 ; MP :M* ~ 1:1-1:108 ) ● Exoplanety téměř nezáří ve srovnání s mateřskou hvězdou (LP /L* ~ 1:10-1:10>10 ) ● Exoplanety se jeví úhlově velmi blízko svým mateřským hvězdám ( možnost pozorovat přímo 771 nocí na nejpřesnějších přístrojích mezi 2007 a 2017 80. léta 20. století Borucki & Summers 1984, Icarus, 58, 121 80. léta 20. století Doyle et al. 1984, ApJ, 287, 307 - Hledejme planety u hvězd, u kterých známe orientaci Borucki & Summers 1984, Icarus, 58, 121 80. léta 20. století Bradford et al. 1984, Science, 226, 1421 - Okolohvězdný disk u β Pic z družice IRAS => Okolohvězdný materiál i okolo jiných hvězd => možnost planet mimo Sluneční soustavu 80. léta 20. století Bradford et al. 1984, Science, 226, 1421 - Okolohvězdný disk u β Pic z družice IRAS => Okolohvězdný materiál i okolo jiných hvězd => možnost planet mimo Sluneční soustavu 80. léta 20. století Campbell, Walker & Yang 1988, ApJ, 331, 902 A search for substellar companions to solar-type stars 12 hvězd během 6 let, X1 Ori A a γ Cep A dlouhodobé trendy, 3.6m CFHT, HF buňka, σ~13 m/s 80. léta 20. století Campbell, Walker & Yang 1988, ApJ, 331, 902 A search for substellar companions to solar-type stars 12 hvězd během 6 let, X1 Ori A a γ Cep A dlouhodobé trendy, 3.6m CFHT, HF buňka, σ~13 m/s Hatzes et al. 2003, ApJ, 599, 1383 - Planeta s 1.7 MJ s orbitální periodou 2.48 roku 80. léta 20. století Marcy & Buttler 1989, ApJ, 344, 441 - hledání objektů substelárních hmotností u málo hmotných hvězd (70 stars, σ~200 m/s) Cochran & Hatzes 1993, ApSS, 212, 281 - monitoring 33 hvězd sp. typů F-K s použitím jodové cely (σ~<10 m/s) 90. léta 20. století Woszczan & Frail 1992, Nature, 355, 145 2 planety okolo pulsaru PSR1257+12: 2.8 a 3.4 MZ + 0.02 MZ , periody 98 a 66 dní Spektrograf Elodie Baranne et al. 1996, A&AS, 119, 373, spektrograf Elodie na 1.9m dalekohledu observatoře Haute Provence, <15 m/s, 9 mag, <30 min expozice Mayor&Queloz 1995, Nature, 378, 355 Výsledek monitoringu 142 hvězd sp. typů G a K Nobelova cena za fyziku 2019 Mayor&Queloz 1995, Nature, 378, 355 Výsledek monitoringu 142 hvězd sp. typů G a K Planety mohou být úplně jiné, než jsme si představovali Nobelova cena za fyziku 2019 Další historické milníky Buttler et al. 1999, ApJ, 526, 916 - Objev prvního multiplanetárního systému - 3 planety u ν And s periodami 4.6, 241 a 1267 dní a hmotnostmi 0.7, 2 a 4 MJ Charbonneau et al. 1999, ApJ, 529, 45 - První pozorovaný tranzit exoplanety (HD 209458 – Známá z měření RVs) - 10cm dalekohled! Další historické milníky Charbonneau et al. 2002, ApJ, 568, 377 - První detekce atmosfery exoplanety (sodík u HD 209458) - v datech z HST STIS spektrografu (teoretické předpovědi řádově menší) Další historické milníky Deming et al. 2005, Nature, 434, 740 - Detekce infračerveného záření exoplanety HD 209458 b - Dalekohled Spitzer na 24 μm Další historické milníky Quintana et al. 2014, Sci, 344, 277 - První exoplaneta velikosti Země v obyvatelné zóně (Kepler-186 f; RP =1.1 RZ ) Další historické milníky Anglada-Escudé et al. 2016, Nature, 536, 437 - Planeta u α Centauri C - Planeta o hmotnosti MP =1.3 MZ s orbitální periodou 11.2 dne Další historické milníky Hubble Space Telescope start 23. duben 1990 Spitzer – start 24. srpna 2003 CoRoT – start 26. prosince 2006 Kepler start 6. března 2009 TESS – start 18. dubna 2018 Cheops, start 18. prosince 2019 James Webb Space Telescope start 25. prosinec 2021 Výzkum exoplanet v ČR Skupina exoplanet AV ČR v Ondřejově (2m Perkův dalekohled, OES) - PI Petr Kabáth - od 2015 monitoring exoplanet a exoplanetárních kandidátů - spolupráce v rámci KESPRINT, Tautenburg, IAC ● 2kx2k detektor chlazený kapalným dusíkem ● Vlnový rozsah – 380-9100 nm ● R=50000, limit ~12 mag ● Teplotně 'stabilní' ±1 K ● 2019 upgrade na vláknový spektrograf PLATOSpec - vysokodisperzní echelletový spektrograf na 1.52m dalekohledu na La Silla, Chile (2023) Vlnový rozsah 360-680 nm Rozlišovací schopnost 70000 Teplotní stabilita 0.1 K Přesnost měření 3 m/s Kalibrace ThAr + jodová baňka Výzkum exoplanet v ČR Skarka et al. 2019, MNRAS, 487, 4230 – první mCP hvězda v zákrytové dvojhvězdě Výzkum exoplanet v ČR Žák et al. 2019, AJ, 158, 120 – detekce sodíku u dvou exoplanet v datech z HARPS Výzkum exoplanet v ČR Šubjak et al. 2020, AJ, 159, 151 – první BD z TESS u Am hvězdy Výzkum exoplanet v ČR Kabáth et al. 2022, MNRAS, 513, 5955, “TOI-2046b, TOI-1181b, and TOI-1516b, three new hot Jupiters from TESS: planets orbiting a young star, a subgiant, and a normal star” - první exoplanety potvrzené s přispěním ČR Výzkum exoplanet v ČR E-ELT, Cerro Armazones, průměr 39 m (798 1.4m zrcadel), 2025 Budoucnost Budoucnost WFIRST 202? PLATO 2026? DARWIN zrušeno Projekty hvězdných plachetnic?? HabEx ??? Česká spolupráce – výroba kontejnerů na přepravu kamer, testování CCD, software Česká spolupráce – fyzikální ústav AV ČR ARIEL 2031?