Detecció d’exoplanetes: tècniques i limitacions

Carme Jordi

Dept. Astronomia i Meteorologia Institut de Ciències del Cosmos

Institut d’Estudis Espacials de Catalunya

6 març 2015 Un matí d’astrobiologia a la UB

El nostre sistema solar

Fsol

Fjup

Des de α-Cen a 4,5 anys-llum (1,3 pc) 4 arcsec Des de 100 pc (326 anys-llum) 52 mas

El nostre sistema solar

~ 1010 difícils d’observar

5,2 UA

Sol

Júpiter

Temperatures molt més baixes que les estrelles IR

30-abril-2005 VLT, ESO, Xile 2M1207

Nana marró

planeta

primera imatge directa d’un planeta extrasolar (IR)

4 MJ 1000 oC

Imatge directa

2008, IR-ESO b Pictoris 1980’s disc pols

planeta gegant distància Saturn

Imatge directa

2008

Primera imatge d’un sistema planetari múltiple Telescopi 10m Keck, Hawai, IR

1,5 MSol

distància Neptú

Mètodes de detecció de planetes

Centre de masses

M* r* = mp rp Msol = 333 000 mT mJ = 318 mT rT ~ 1 UA rJ ~ 5,2 UA rsol~rJ/1000 ~ 0,005 UA

rsol~rT/333 000 3a Llei Kepler: Júpiter: 11,5 anys Terra: 1 any

Detecció indirecta: efectes dinàmics

Centre de masses

Observació

Astrometria: canvi coordenades celestes

Moviment de les estrelles isolades

Estrella: Distància al Sol = 50 pc = 163 anys-llum Moviment de l’estrella: 50 mas/any Planeta: massa = 15 MJ

e=0,2 a= 0,6 UA Efecte planeta magnificat un factor 30

Senyal astromètric del planeta

Calen precisions de mas ! Limitats a estrelles properes

DE0823-49b

Perryman et al (2014, ApJ 797,14) Sahlmann et al (2013, A&A 556, A133)

Detecció astromètrica

Ga

Perryman et al (2014, ApJ 797,14)

Detecció astromètrica

21 000 planetes de 1-15MJ de llarg període fins 500 pc amb 5 ays 70 000 planestes si 10 anys

Gaia

Centre de masses

Observació

Espectroscòpia: Moviment d’acostament i allunyament

m* v* = mp vp

Sol - Júpiter vsol ~ 13 m/s

Sol - Terra vsol ~ 9 cm/s

Cal alta resolució !! Estrelles brillants

NAAP Astronomy Labs: Simulacions: http://astro.unl.edu/naap/esp/esp.html

6 octubre 1995, Mayor i Queloz Primer planeta entorn d’una estrella com ara el Sol Observatori Alta Provença 51 Peg b

0,5 MJ 4,23 dies

51 Peg b

5,2 UA

0,052 UA

Senyal espectroscòpic del planeta

Període

Amplitud

Observacions: 𝑃, 𝑒, 𝜔, 𝑣∗ sin 𝑖

c.d.m: 𝑀∗𝑣∗ = 𝑚𝑝𝑣𝑝 3a. Llei Kepler: 𝐺 𝑀∗ + 𝑚𝑝 =4𝜋2

𝑃2 𝑟∗ + 𝑟𝑝3

propietats estrella 𝑀∗ La combinació permet deduir 𝑚𝑝 sin 𝑖 → 𝟐𝒎𝒑𝒔𝒊𝒏 𝒊 ≥ 𝒎𝒑 ≥ 𝒎𝒑 𝒔𝒊𝒏 𝒊

Forma: • excentricitat • orientació

HARPS: High Accuracy Radial Velocity Planet Searcher 3,6m ESO-Xile 30 cm/s HARPS-N: 3,6m TNG, La Palma Basats en ELODIE i CORALIE

HIRES: High Resolution Echelle Spectrometer 10m Keck Hawai 1 m/s

ESPRESSO, 8,2m VLT ESO-Xile < 10 cm/s

CARMENES, 3,5m CAHA 10 m/s a l’IR

1992: Wolszczan i Frail Tres planetes entorn del púlsar PSR B1257+12

Timing: pulsars

NN Ser: Beuermann et al (2010)

Mètodes de detecció de planetes

Trànsits

7 maig 2003: Mercuri davant Sol

1999: HD209458 b primer trànsit planetari observat (Chrabonneau et al, 2000)

0,69 MJ 1,4 RJ planeta gegant

Observacions: P, e, i, 𝑟𝑝

𝑎

3a. Llei Kepler: 𝐺 𝑀∗ + 𝑚𝑝 =4𝜋2

𝑃2 𝑎3

propietats estrella 𝑀∗ assumint 𝑚𝑝 ≪ 𝑀∗ 𝑎

La combinació permet deduir 𝑟𝑝 Si també 𝑚𝑝 densitat

PROFUNDITAT 𝑟𝑝

𝑅∗

DURADA : 𝑟𝑝

𝑎 ,

𝑅∗

𝑎

gasós aigua rocós

25x

PLATO (2024, ESA)

CoRoT (2006, França, ESA, ...)

TESS (2017-2019, NASA, tot el cel)

KEPLER (2009-2013), K2

Kepler (Març/2009-

Maig/2013), Kepler 2 Observació quasi contínua d’unes zones de cel

Primeres corbes de llum

~ 1000 exoplanetes confirmats en 440 sistemes planetaris

Mètodes de detecció de planetes

lent gravitatòria

objecte al darrera

(estrella)

observador

Microlents gravitatòries

lent gravitatòria

objecte al darrera

(estrella)

observador Imatge creada

(estrella)

Microlents gravitatòries

OGLE 2003-BLG-235 Bond et al (2004)

Terra

GJ 1214 b Neptú

Inventari d’exoplanetes

Enciclopèdia d’Exoplanetes: http://exoplanets.eu

confirmats

descartats

Gl 581

Kepler 10 b

CoRoT-7b

Inventari d’exoplanetes

Massa vs semieix òrbita

Massa vs Radi

Resum

• Descobriment de nous planetes cada dia • Detectats aprox. 1900 planetes (molt diversos) • 480 sistemes planetaris múltiples (molt diversos) • Comencem a tenir força estadística, encara que esbiaixada

per les tècniques de detecció • Discos protoplanetaris • 50% de les estrelles tenen algun planeta • Molts sistemes planetaris • 20% de les estrelles tipus Sol tenen planetes de la mida de

la Terra a la zona habitable • Planetes també orbiten nanes blanques, nanes marrons,

púlsars, estrelles binàries, ...

Futur

• Empènyer els límits observacionals cap a masses menors (terres al voltant de sols)

• Cerca de planetes a la zona habitable (estrelles fredes)

• Caracteritzar físicament els planetes (composició,

temperatura, densitat, gravetat, ...)

• Continuar la cerca sistemàtica per augmentar l’estadística

HL Tau Nov 2014: ALMA , ESO edat < 1 Myr

Gràcies