Upload
cornelis-de-jager
View
345
Download
2
Embed Size (px)
DESCRIPTION
lezing
Citation preview
HETE JUPITERS
Grote Jupiterachtige planeten, die vlak om hun ster lopen. Kunnen die zo wel blijven
bestaan?
Reusachtige gasplaneten en
kleinere rotsplaneten
Ons planetenstelsel als voorbeeld; er zijn blijkbaar twee soorten planeten
Banen van de buitenplaneten
Voorbeeld: Jupiter en Saturnus; grote gasbollen
Banen van de binnenplaneten
Voorbeeld: Mercurius, steenachtig zonder echte
atmosfeer
Grote verschillen in omvang; kleine binnen-, grote
buitenplaneten
Omvang van Zon, Jupiter, Aarde en Maan
De aardplaneten; steenachtig; dunne of zelfs geen atmosfeer
De reuzenplaneet Jupiter: grotendeels gasvormig
De ‘Rode vlek’ met zijn wervelende omgeving bestaat al enkele eeuwen
1994: een stukgerukte komeet plonst in Jupiter
De oorzaak: komeet Shoemaker-Levy-9 was al eerder door de aantrekking van Jupiter in 21
stukken gerukt
Gasvormig met kleine rotsachtige kern (volgt uit vergelijking
omvang en massa)
Jupiter en Saturnus zijn gasplaneten met een
kleine steenachtige kern; op hun afstand tot de zon bevriest interstellair water het komt buiten de planeten dus niet in dampvorm voor
De buitenste planeten, Uranus en Neptunus zijn wat kleiner, hebben geen steenachtige kern, maar ijs komt er veel in voor; men zou ze ijsplaneten kunnen noemen
Wat dat betreft lijkt hun samenstelling op die van de buitenste gordel van kleinere lichamen, zoals Pluto
De structuur van de buitenplaneten
Ons planetenstelsel
Hoe zou het kunnen zijn ontstaan?
Bij de ster Bèta Pictoris werd een vlakke gasschijf ontdekt
En later zelfs een planeet Bèta Pictoris-b
Hoe het zou kunnen zijn ontstaan – fase 1 –een samenkrimpende
gaswolk
Tweede fase: platte schijf
Van protoplanetaire schijf tot ster met planeten
Gebeurt het echt wel zo?
De ontdekkimg van protoplanetaire schijven
Een proplyde in Orion(proplyde = protoplanetaire
schijf)
Proplyden in de Orion nevel
Nog meer proplyden Orion is een befaamd broeinest voor het
ontstaan van sterren
Protoplanetaire schijf in Orion op zijn kant gezien (1500 lj)
Een merkwaardige protoplanetaire schijf
Gecompliceerder: de Vierkante nevel
Het scenario (schijf-instabiliteit) is onderzocht
met theoretische modellen Het blijkt dat het groeiproces snel voortgaat Planeten zoals Jupiter kunnen in één of enkele
honderden miljoenen jaren ontstaan Wel blijkt baanmigratie op te zullen treden (vgl.
onze maan die ten gevolge van getijdenwerking steeds verder van de aarde komt te lopen) – dit verklaart gedeeltelijk de grote afstand van de grote buitenplaneten tot de zon
Onderzoek van het groeiproces
De speurtocht naar exoplaneten
Diverse methoden ontwikkeld
Ster en planeet lopen om het gemeenschappelijke
zwaartepunt
Eerste en meest doeltreffende methode: meting radiële snelheid
van ster
Ster verplaatst zich omdat een planeet om de ster loopt. Slechts kleine snelheden. Voorbeeld:
51 Peg
De overgangsmethode (transit)
Zwaartekracht-lens methode
De eerste exoplaneet werd ontdekt in 1995 Op 2 september 2013 waren 942 exoplaneten ontdekt Meest grote planeten, dicht bij een ster: hete Jupiters Hier speelt een zeer sterk selectie-effect Voorbeeld: de aarde loopt met 20 km/s om het
zwaartepunt van aarde en zon; dus beweegt de zon (300 000 maal meer massa) met 6 cm/sec om datzelfde zwaartepunt; dat is nu nog niet te meten
Een aardachtige planeet is dus moeilijk te ontdekken
Resultaten en beperkingen
De aarde heeft een oppervlak dat 0,0001 dat van
de zon is. Met de transit methode gaat het ook niet: eenmaal
per jaar wordt de zonnestraling gedurende ruim een uur met één-tienduizendste verzwakt
De aarde straalt ongeveer miljoen maal minder licht uit dan de zon
Zoek vanuit een afstand van vele lichtjaren naar dat zwak lichtende puntje naast de zon ….
En bovendien …
Jupiter loop in 12 jaar om het zwaartepunt van het
planetenstelsel op een afstand van 5 maal aarde-zon. De snelheid is ongeveer 15 km/sec
De zon, met ongeveer 1000 maal meer massa, loopt dan eenmaal in 12 jaar om het zwaartepunt met een snelheid van 15 m/sec. Dit is marginaal te meten: de spectrale golflengte verplaatsing is minder dan één op tien miljoen
Eenmaal in 12 jaar wordt de zonnestraling gedurende ca. drie uren met ca. 1% verzwakt
Kortom: kleine kans
Zou een buitenaardse onderzoeker ooit Jupiter kunnen ontdekken?
Enkele resultaten
Een willekeurige greep
CoRoT -1- 3b; massa 31,8 J ; straal 1,2 J; periode 4,2d; Dopplermethode
OGLE – TR – 132b; massa 1,14 J; straal 1,18 J; periode 1,69 d;
gravitatie-lens methode
HAT-P-12-b; massa 0,21 J; straal 0,96 J; periode 3,21 d;
overgangsmethode
Kepler- 5-b; massa 2,11 J; straal 1,43 J; periode 5,55 d;
overgangsmethode
Samenvattend: Boven: de minimum massa’s; onder: de halve
grote baan-as
Vergelijk lengte baan-as met excentriciteit (boven) en massa (AU
= afstand aarde – zon)
Opbouw van de hete Jupiters
We weten iets van de samenstelling dank zij spectroscopisch onderzoek.
Uit theoretisch werk komt een summier beeld van de opbouw te
voorschijn
Hoe zo, spectroscopie? Een voorbeeld: HD209458b (‘Osiris’)
trok over de ster
In het spectrum van de ster verschenen nieuwe lijnen
Zo zijn er meer exoplaneten onderzocht Voorbeeld: de planeten WASP-12b, CoRoT-2b,
XO-1b, HD 189733b Het zijn geen complete of verfijnde spectra
maar ze leren toch wel iets Zo blijkt de verhouding van hoeveelheden
koolstof (C) op zuurstof (O) ongeveer gelijk aan 1 te zijn. In het heelal is dit ca. 0,4
Besluit: moleculen zoals HCN en CO (en nog andere) moeten veel voorkomen in die planeten
Spectroscopische analyse
Tot dusverre pas onderzocht voor een hypothetische planeer
met een buitentemperatuur van 1250 K – zo’n planeet is binnenin heter
Bedenk dat H het meest voorkomt in het heelal: 90% De verschillende moleculen (vooral NH3, H2O, N2, CO2, CH4,
MgSiO3) condenseren op verschillende hoogten – zo zullen wolken van verschillende samenstelling op achtereenvolgende hoogten voorkomen. Boven de Si-laag komen wolken voor van de andere genoemde moleculen
Dit alles hangt sterk af van de temperatuur van de planeet en het verloop van de temperatuur over de diepte
Dit onderzoek staat pas in het begin; veel zal volgen
Vermoedelijke opbouw
De stabiliteit van de hete Jupiters
Kunnen ze wel blijven bestaan, zo dicht bij die hete sterren?
Waarom zien we kleine rotsplaneten op korte
afstand tot de zon en zien we de grote gasplanten op grotere afstanden
En equivalent daarmee: waarom komen de in het Universum meest voorkomende gassen (H en He, samen 99%) nauwelijks of niet voor op de binnenplaneten en wel in de grote?
Het klassieke antwoord was dan: het is de zon! Haar (ultraviolette) straling en de zonnewind
Eerst: een klassieke vraag met het klassieke
antwoord
De UV-straling van de zon splitst de moleculen in
de buitenlagen van een planeet in de afzonderlijke atomen – indien de planeet niet te ver van de zon af staat. Deze lichte atomen worden weggeblazen door de zonnewind
Dat geldt vooral voor het lichte waterstofmolecuul Zo gaat dat door tot de lichtste atomen en
moleculen van de planeet in de ruimte verdwenen zijn. Over blijft de rotsachtige kern – zo wordt het bestaan van de binnenplaneten verklaard; Jupiter staat te ver om zo beïnvloedt te worden.
De ultraviolette straling
De zonnecorona –bron van de zonnewind
Schets van de zonnewind
De zonnewind uit zich in kometen. Komeet Hale-Bopp (1997) met de gas- en
stof-staarten
Dit was/is de gangbare theorie
Maar is hij wel juist? Een opzienbarende ontwikkeling: het
H3+molecuul
Waterstof en helium, die 99% uitmaken van het
planeetgas stralen nauwelijks de opgeslagen energie uit
Als de UV-straling van de zon sterker is dan een te berekenen grenswaarde, kan dit de temperatuur van de planeet zodanig verhogen dat de planeet zelfs geheel verdampt.
Bovendien: In de jeugd van zon en planeten was de UV-straling van de zon wel honderd maal feller dan nu het geval is. Zouden dan de Jupiters wel hebben kunnen ontstaan? Zie de volgende tabel.
Hete Jupiters kunnen verdampen door UV zonne-
energie
In de ontstaansperiode van zon en planeten was de UV-straling van de
zon ca. 100 maal sterker (laatste kolom: zie later)
Een schrikwekkend voorbeeld: HD15671-b
Massa = 3 × Jupiter. Straal = 0,964 × Jupiter. Loopt om de ster vin 21,22 dagen.
Zeer excentrische baan. Periastron afstand is slechts 0,05 van
aphastron afstand. (dit zijn punten van de baan dichtst en verst van de ster)
In periastron ontvangt de planeet ca. 2500 maal meer sterstraling dan in aphastron. Wordt hij dan niet zo heet dat hij verdampt of zelfs explodeert?
Dit molecuul werd 100 jaar geleden (1911)
ontdekt door J. J. Thomson. Een wonderlijk molecuul van drie waterstofatomen waartussen twee elektronen rondkrioelen
Het werd in 1988 ontdekt in poollicht op Jupiter in 1996 in de interstellaire ruimte.
Het heeft een enorm afkoelend vermogen. Opgenomen energie van de twee elektronen en de drie atomen wordt snel uitgestraald
Redder uit de nood: het H3
+-molecuul
Twee waterstofmoleculen, waarvan een
geïoniseerd is, botsen: H2
+ + H2 -> H3+ + H
Zo ontstaat het H3+ ion
Het is zeldzaam; komt nergens meer voor dan één op miljard waterstof moleculen
Maar draagt per molecuul 10 miljoen maal sterker bij tot de afkoeling dan een H2
waterstofmolecuul
Hoe het ion ontstaat
Breng Jupiter dichter bij de zon , tot op 1 AE (=
astronomische eenheid). Hij wordt nu 27 maal sterker bestraald
Maar ook de ionisatie van het waterstofmolecuul wordt versterkt; er komen meer H2
+–moleculen en daardoor ook meer H3
+-moleculen Die stralen sterk uit en daardoor koelt de planeet af Pas wanneer we Jupiter tot op 0,16 AE zouden
brengen, zullen de H2 moleculen uiteenvallen en dan kan het H3
+-molecuul ook niet meer gevormd worden. Dan loopt de planeet gevaar.
Gedachten-experiment
De laatste kolom geeft de grens waar buiten Jupiter kon bestaan. Jupiter ontstond na 1 à 2 miljoen jaar. Kon
dus niet dichter bij de zon ontstaan dan 1,68 AE.
De planeten ontstonden in een vroeg stadium
van het leven van de zon Toen konden Jupiter, Saturnus … kortom de
grote buitenplaneten, niet ontstaan op kortere afstanden tot de zon dan een of twee AE
Daarna werden ze verder naar buiten gebracht door getijdenwerking
Op kleinere afstanden ontstonden de rotsplaneten
Probleem van ons planetenstelsel is nu ook
opgelost!
DANK!
Deze presentatie zal vanaf 19 september te lezen zijn op de website
www.cdejager.comGa naar ‘presentaties’ en daar naar
‘8-hete-Jupiters’