F7514 Exoplanety Marek Skarka skarka@asu.cas.cz, maska@physics.muni.cz 175888@mail.muni.cz Astronomický ústav Akademie věd České republiky, Ondřejov Ústav teoretické fyziky a astrofyziky, Masarykova univerzita, Brno 20. září 2023 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, středa 15:00-16:50 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) 20.9. Taxonomie, historie výzkumu, obecný přehled 2) 27.9. Vznik planetárních soustav, Sluneční soustava 3) 4.10. - 4) 11.10. - 5) 18.10. Spektroskopie a měření radiálních rychlostí (Brno) 6) 25.10. Spektroskopie a měření radiálních rychlostí (Zoom) 7) 1.11. Tranzitní metoda – principy (Brno) 8) 8.11. Tranzitní metoda – pozorování (Zoom) 9) 15.11. Další metody detekce exoplanet (Brno) 10) 22.11. Vlastnosti exoplanet a jejich atmosfér (Brno) 11) 29.11. Vlastnosti mateřských hvězd (Zoom) 12) 6.12. Astrobiologie a hledání života ve Vesmíru (Brno) 13) 13.12. - 14) 20.12. 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 – literatura Databáze: 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://exoplanets.nasa.gov/eyes-on-exoplanets/#/ https://astro.unl.edu/animationsLinks.html Novinky: http://nccr-planets.ch/ https://www.exoplanety.cz/ Skripta zatím nejsou k dispozici arXiv, NASA ADS ● 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! Z řeckého 'planétes' = tulák 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 Definice exoplanety Doporučené definice IAU z roku 2003: Planeta je těleso s hmotností pod hranicí, kdy je schopné 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, rogue planet) 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 schopné 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, rogue planet) 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 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 Plávalová, 80AI2023, Sep 14, 2023 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 20.9. 2023 (https://exoplanets.nasa.gov/) Známé exoplanety 1/3 všech známých exoplanet jsou velikostně mezi Zemí a Neptunem 4112 systémů +9820 kandidátů https://exoplanets.nasa.gov/eyes-on-exoplanets/#/ Dosud neznáme analog Sluneční soustavy Rekordmani Nejbližší hvězda Proxima Cen b (RV) 1.3 pc Nejjasnější hvězda Aldebaran (RV) Pollux (RV) 0.87 mag, 1.1 mag Nejkratší perioda PSR J1719-1438 b (PTV) K2-137 b (T) 0.09 dne 0.18 dne Nejdelší perioda COCONUTS-2 b (IM) HD 66428 c (RV) 402000000 d 39000 d Nejmenší poloměr Kepler-37 b (T) 0.296 RZ Nejmenší hmotnost PSR B1257+12 b (PTV) Kepler-138 b (RV) 0.02 MZ , 0.06 MZ Nejvyšší rovnovážná teplota Kelt-9 b 4050 K Největší excentricita HD 20782 b 0.95 Nejpočetnější systém Kepler-90 8 proxima Cen 1.3 pc (3), tau Cet 3.7 pc (4), 55 Cnc 12.3 pc (5), HD 2019134 6.4 pc (6), TRAPPIST-1 12.3 pc (7) • Filozofické spekulace, zásadní objevy a předpovědi Epikuros (3. st. př. n. l.): “Existuje nekonečně mnoho světů, podobných tomu našemu, i naprosto odlišných.” Giordano Bruno (16. st.): “Slunce není středem vesmíru, ale pouze jednou z mnoha hvězd; vesmír je nekonečný, existuje nekonečně mnoho sluncí s planetami, které mohou být i obydlené.” Prehistorie Mikuláš koperník (1543): “Planety obíhají kolem Slunce. Země není středem Sluneční soustavy” Bernard de Fontenelle (1686): “Každá hvězda je sluncem, které dodává světlo a teplo planetám, které jej obklopují” • Filozofické spekulace, zásadní objevy a předpovědi Epikuros (3. st. př. n. l.): “Existuje nekonečně mnoho světů, podobných tomu našemu, i naprosto odlišných.” Giordano Bruno (16. st.): “Slunce není středem vesmíru, ale pouze jednou z mnoha hvězd; vesmír je nekonečný, existuje nekonečně mnoho sluncí s planetami, které mohou být i obydlené.” Pierre Gassendi (1632), Edmund Halley (1677): První pozorování tranzitů Merkuru Prehistorie Mikuláš koperník (1543): “Planety obíhají kolem Slunce. Země není středem Sluneční soustavy” Bernard de Fontenelle (1686): “Každá hvězda je sluncem, které dodává světlo a teplo planetám, které jej obklopují” Poloměry planet mohou být velmi malé a nemohou být odhadnuty pouze ze svítivosti planety na obloze Z tranzitů vnitřních planet možnost odhadu velikosti astronomické jednotky • Filozofické spekulace, zásadní objevy a předpovědi Christiaan Huygens (1698): “Světlo potenciálních planet u jiných hvězd bude příliš slabé než aby mohlo být detekováno. Takové planety splynou se svou hvězdou v jeden světlý bod.” Isaac Newton (1713): “Pokud jsou hvězdy středem podobných systémů, jako je ten náš, musely být zformovány z vůle Boha a jsou pod jeho dohledem.” Prehistorie Dionysius Lardner (1853): “Bylo navrženo, že k periodickým zákrytům nebo úplným zmizením hvězd by mohlo docházet vlivem planet, které kolem hvězd mohou obíhat.” W. S. Jacob (1855) + T. J. Jackson See (1895): Objev planety u 70 Oph metodou astrometrie (falešná detekce) Teoretické studie a první “detekce” A. van Maanen 1917, PASP, 29, 258: Objev nejbližšího samostatného bílého trpaslíka s podivným chemickým složením – možná akrece okolních těles D. Belorizky 1938, Lastr., 52, 359: Jedinou možností, jak s tehdejší technikou detekovat největší planetu Sluneční soustavy ze vzdáleného vesmíru je přes tranzity (pokles 0.01 mag), nemožné přes radiální rychlosti nebo přímé pozorování. O. Struve 1952, Obs, 72, 199: Spekuloval o planetách ve vzdálenosti 1/50 au. Amplituda radiálních rychlostí by pak byla +- 0.2 km/s, pokles při tranzitu 0.02 mag, oboje detekovatelné tehdejšími přístroji. K.A. Strand 1943, PASP, 55, 29: Objekt s hmotností 16 MJ obíhající v systému 16 Cyg 2413 fotografických desek během 609 nocí mezi 1916-1962 - analýza za pomoci několika pozorovatelů, - započítány vlastní pohyby hvězd, rozdílná velikost kotoučků na deskách, chyby pozorovatelů Měření pohyblivých objektů je velmi obtížné a žádná optická soustava nezůstává stabilní po desetiletí Zřejmě vada optické soustavy Gatewood, G. 1995, ApSS, 223, 91 - Z astrometrických měření vyplývá, že okolo Barnardovy hvězdy neobíhá žádné těleso hmotnější než 0.5 MJ na dráze mezi 1/20 a 2 au. Choi et al. 2013, ApJ, 764, 131 Ribas et al. 2018, Nature, 563, 365 Vzdálenost od mateřské hvězdy 220 mas => 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 cela, 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 cela, 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 atmosféry exoplanety (sodík u HD 209458) - v datech z HST STIS spektrografu (teoretické předpovědi řádově menší) Další historické milníky Doyle et al. 2011, Sci, 333, 1602 - Cirkumbinární planeta v systému Kepler-16 (první detekce CB planety Correia et al. 2005, A&A, 440, 751) 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 =1.17 MZ s orbitální periodou 11.2 dne Další historické milníky Hill et al. 2023, AJ, 165, 34 - Exoplanety v obyvatelné zóně Exoplanety v HB se změřeným R a M Další historické milníky Hyceání planety, detekce organických molekul Madhusudhan et al. 2023, 2023arXiv230905566M Madhusudhan et al. 2021, 2021ApJ...918....1M 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 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 Deeg, 80AI2023, Sep 14, 2023 Raskin, 80AI2023, Sep 11, 2023 - projekt MARVEL 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?QUVIK ??? Bakalářská práce - pozorování a analýza tranzitů kandidátů s TTV, konzultant Michaela Vítková Zájemce?