De Pluraliteit der Werelden. Ons en andere planetenstelsels. Leuven,, 20 november Instituut voor Sterrenkunde

Transcriptie

1 1 De Pluraliteit der Werelden Ons en andere planetenstelsels Lessen voor de 21ste Eeuw Leuven,, 20 november 2006

2 2 Overzicht Het heelal in een notedop De universaliteit van de natuurwetten De verkenning van ons zonnestelsel Het ontstaan en de geschiedenis van ons zonnestelsel Mogelijke detectie van andere planetenstelsels Exosolaire planeten Systematiek van exostelsels Het ontstaan en de geschiedenis van planetenstelsels Wie zijn wij? Toekomstperspectieven p. 2

3 3 Het heelal in een notedop p. 3

4 4 De universaliteit van de natuurwetten In het oude wereldbeeld was er een onderscheid tussen het ondermaanse en het bovenmaanse : andere wetten (vergankelijkheid versus volmaaktheid) andere samenstelling (vier elementen versus quintessens) Newton en de appel doorbreken dit beeld: dezelfde universele gravitatie heerst boven en beneden. Sindsdien heeft men dit doorgetrokken naar alle natuurwetten: astrofysica, astrochemie, En het werkt zo goed dat het principe van universaliteit zelf het statuut heeft gekregen van een natuurwet. p. 4

5 5 De universaliteit van de natuurwetten p. 5

6 6 De universaliteit van de natuurwetten Wat steekt erachter? We zijn verwonderd omdat we de wetten in eerste instantie zien als deze op een kleine geïsoleerde plaats. Maar: : we zijn helemaal niet geïsoleerd soleerd, maar product van de evolutie van het hele heelal. Met andere woorden: het zijn de wetten van het heelal,, die hier gelden omdat ze overal geldig zijn. Opgepast: : de universaliteit van de natuurwetten herkennen is niet hetzelfde als die wetten volledig kennen! Het helpt wel om ze beter te leren kennen. p. 6

7 7 De verkenning van ons zonnestelsel Vier aardse planeten niet al te groot vast/vloeibaar vloeibaar binnenin,, vast oppervlak, een beetje atmosfeer samenstelling: : O, C, N, Mg, Fe, Si,,... p. 7

8 8 De verkenning van ons zonnestelsel Vier reuzenplaneten een orde van grootte groter kleine vaste kern, verder vooral gasbollen samenstelling: : H, He; verder O, C, N, Mg, Fe, Si,,... p. 8

9 9 De verkenning van ons zonnestelsel Planeten hebben grote en kleine satellieten p. 9

10 10 De verkenning van ons zonnestelsel Tussenin: kleine planeten, kometen, stofdeeltjes p. 10

11 11 Van ISM tot planetenstelsel Schijven zijn een normaal bijproduct van stervorming p. 11

12 12 Evolutie van stofschijven Universele samenstelling 98% in massa is H en He 2% O, C, N, Ne,, Fe, Mg, Si, Schijf is 99% gas en 1% stof, maar structuurvorming start in het stof, met vooal zwaardere elementen. Drie fasen: - Snelle (10000 jr) vorming van grote steenblokken; - Tragere ( jr) vorming van planetesimalen; - Trage (10 miljoen jr) vorming van rotsplaneten door gravitatie. p. 12

13 13 Interpretatie van ons zonnestelsel Het scenario verklaart goed hoe rotsachtige planeten ontstaan in de schijven van stof en gas. Reuzenplaneten starten op dezelfde manier, maar worden veel groter, zodat ze het gas kunnen aantrekken en nog veel meer aangroeien. Vanaf 5 A.E. zitten H 2 O, CO, CO 2 immers ook in de vaste (ijs)fase. Verder: - Jupiter ontstaat eerst en controleert het vervolg. - Asteroïdengordel en Kuipergordel: onafgewerkte planeten. - Ejectie van kometen naar Oortwolk en ook naar binnen. - Enkele catastrofale evenementen: vorming aarde-maan maan-systeem, grote ijzerkern Mercurius, sterke helling van Uranus-as. as. p. 13

14 14 Detectie van exoplaneten Planeten rond andere sterren zijn rechtstreeks heel moeilijk te zien, vanwege het enorme contrast met de moederster. Het helpt door in het infrarood te kijken (beter contrast), of door via interferometrie het licht van de ster te (pogen te) elimineren. Stars are a billion times brighter than the planet hidden in the glare. p. 14

15 15 Detectie van exoplaneten Van planeten rond andere sterren kunnen we de aanwezigheid afleiden uit de kleine bewegingen die ze induceren op hun moederster. Verandering van de positie van de ster (astrometrie). (best voor nabije sterren) Verandering van de snelheid van de ster volgens de gezichtslijn (dopplermethode). (min afhankelijk van afstand) p. 15

16 16 Exoplaneten Exoplaneten zijn het eerst (1995) gevonden via de dopplermethode. p. 16

17 17 Massa-afschatting afschatting Te bepalen parameters zijn de massa s m en m P en de halve assen a * en a P. Verbanden tussen die grootheden zijn - m a * = m P a P - de derde wet van Kepler G(m +m P )/(a * +a P ) 3 = 2π/T2 2 (T is de omloopsperiode) De massa m * kan men vrij nauwkeurig schatten uit het spectrum van de ster. De snelheid K * waarmee we de ster zien bewegen,, is verbonden met a * via K * T = 2π2 a * Als de snelheidsamplitude K * klein is, dan is ook a * dat,, en ook m P. p. 17

18 18 Detectie van exoplaneten: opgepast! De methode steunt op de detectie van KLEINE snelheidsveranderingen! Die kunnen ook komen van een groter object van bovenaf gezien. Als we bovendien de planeet de ster zien bedekken, dan weten we dat we in of dicht bij het baanvlak kijken! p. 18

19 19 Rechtstreekse detectie van exoplaneten p. 19

20 20 Exoplaneten: systematiek Vandaag zijn al een 200-tal exoplaneten ontdekt rond 160 sterren. Het zijn meestal Jupiter-achtige planeten dicht bij hun moederster! Dat zijn immers deze die het gemakkelijkst gevonden kunnen worden. p. 20

21 21 Detectiewaarschijnlijkheden M A S S A HALVE GROTE AS De grootste (zwaarste) planeten zien we het best, want hun effect op hun ster is het grootst. Astrometrie: : best wijde banen, maar enkel dicht bij ons. Dopplermethode: grootste effect voor nauwe banen,, min of meer onafhankelijk van afstand. p. 21

22 22 Klopt niet met ons ontstaanscenario! Volgens het gangbare scenario kunnen Jupiters niet gevormd worden dicht bij een ster. Twee mogelijkheden: - het scenario is verkeerd; - er is iets bijkomends aan de hand. Wat men vermoedt: migratie van planeten door interactie met de schijf. Ad hoc? Jawel, maar ook voorspeld (Goldreich & Tremaine 1980) p. 22

23 23 Ontstaan van planetenstelsels Het basisscenario blijft behouden. Migratie. kan naar binnen en naar buiten. kan aardse planeten zwaarder maken. induceert vrij natuurlijk resonant gedrag p. 23

24 24 Migratie en wij Bij ons is planetaire migratie slechts in beperkte mate gebeurd. Een goede zaak,, want als Jupiters naar binnen migreren, vallen aardse planeten op hun ster in. Migrerende aardse planeten kunnen groter worden Anderzijds - satellieten van reuzenplaneten - bewoonbare Kuipergordels p. 24

25 25 Accenten voor de vroege 21ste eeuw De systematiek van planetenstelsels accuraat in kaart brengen (en zo het statuut van het onze bepalen). Het ster- en schijfvormingsproces beter begrijpen,, door - IR en (sub)mm mm-waarnemingen - modellering. Accurate modellering van de evolutie van planetenstelsels. p. 25

26 26 Tekenen van leven? Aardse planeten zoeken en hun spectra opmeten p. 26