Forelesning 17: Eksoplaneter og jakten på liv

Presentasjon om: "Forelesning 17: Eksoplaneter og jakten på liv"— Utskrift av presentasjonen:

1 Forelesning 17: Eksoplaneter og jakten på liv
AST1010 – En kosmisk reise Forelesning 17: Eksoplaneter og jakten på liv

2 Spørsmål fra sist Vil en person som faller inn i et sort hull se ut til å bli kortere (dersom vedkommende ikke spaghettifiseres av tidevannskrefter) Ja (kort fortalt er 𝑑𝑟 observert lengde fra langt unna og 𝑑𝑠 lengden målt lokalt):

3 Spørsmål fra sist Kan man se inn i fremtiden mens man faller inn i et sort hull? (Vil klokker langt unna se ut til å gå raskere enn din egen?)

4 I dag: Eksoplaneter (kap. 14)
”Den beboelige sonen” Metoder til å finne eksoplaneter Hva har vi funnet hittil?

5 Finnes det liv der ute?

6 AST Liv i universet

7 Betingelser for jordlignende liv
Vann i flytende form (viktigst) Karbon: Et atom som kan være en hoved-byggestein for organisk liv – energi blir frigjort ved brenning, dvs. oksidasjon av karbon En energikilde Stabile betingelser over lang tid, hundrevis av millioner av år

8 Vann Vann er den ene, avgjørende betingelsen for liv slik vi kjenner det! Vann ved riktig temperatur, ikke for varmt eller kaldt.

9 Den beboelige sonen

10 Den beboelige sonen Solen stråler nå noe kraftigere enn før (se tidligere forelesning) Den beboelige sonen flyttes utover over tid Likevel har Mars (utenfor sonen i dag) hatt flytende vann på overflaten tidligere Noe mangler i modellene her!

11 Fem måter å finne planeter på
Dopplermetoden - fra variasjon av stjernens hastighet langs synslinjen. Egenbevegelsen - fra variasjoner i stjernens posisjon. Formørkelser - intensitetsvariasjoner idet planeten passerer stjernen. Mikrolinsing - lys fra en fjern stjerne bøyes litt av idet det passerer en masse. Direkte observasjon av planeten.

12 Dopplermetoden

13 Observert Doppler-bevegelse
AST Planetsystemet

14 Massesenter (ikke pensum)

15 Ville Dopplermetoden ha oppdaget Jupiter?
Dette betyr en forskjell i fart på 25 m/s i de to punktene der sola er hhv. på vei rett mot oss og på vei rett fra oss. Slike Dopplerforskyvninger kan vi se med dagens utstyr. Samme regning i et tenkt tilfelle der jorda er eneste planet gir imidlertid v = 0.09 m/s, som foreløpig er for lite til å måles.

16

17 Transittmetoden (formørkelsesmetoden)

18

19 TRAPPIST-1 7 jordlignende steinplaneter (februar 2017)
Oppdaget med formørkelsesmetoden (Transit Planets and Planetesimals Small Telescope) 3 planeter (e, f og g) i beboelig sone

20 TRAPPIST-1 Alle planetene nærmere stjernen sin enn Merkur er Solen (derfor lette å oppdage) Men stjernen er en rød dvergstjerne (0.08 solmasser) Lavere temperatur + liten radius gir stjernen så lav luminositet at den beboelige sonen er mye nærmere enn Solens

21 By ESO - http://www. eso. org/public/images/eso1615e/, CC BY 4
By ESO - CC BY 4.0,

22 By NASA/JPL-Caltech - Catalog page · Full-res (JPEG · TIFF), Public Domain,

23 By ESO/O. Furtak - http://www. eso
By ESO/O. Furtak - CC BY 4.0,

24 By NASA/JPL-Caltech - Catalog page · Full-res (JPEG · TIFF), Public Domain,

25 TRAPPIST-1 Selv om stjernen er lik Jupiter i radius, er massen ca. 84 Jupiter-masser. Temperatur: 2550 K (svært lav, spekteret viser likevel at det neppe er en brun dverg) Avstand til systemet: Beskjedne 39.5 lysår

26 Formørkelser av stjernen
By NASA/JPL-Caltech - Catalog page · Full-res (JPEG · TIFF), Public Domain,

27 Formørkelser av stjernen
Dimming of TRAPPIST-1 due to its seven known planets - large planets, more dimming; distant ones, longer. By ESO/M. Gillon et al. - (TIFF), CC BY 4.0,

28 Muligheter for liv? Problem 1: Bundet rotasjon er sannsynlig for disse planetene De vender antakelig alltid samme side mot stjernen (som månen mot jorden) Store temperaturforskjeller på dag- og nattsiden: Svært kraftige vinder

29 Muligheter for liv? Problem 2: Sterk UV- og røntgenstråling observert fra stjernen på så nært hold De nærmeste planetene kan ha mistet opptil 15 jord-hav i vann H2O  OH- + H+ (sistnevnte unnslipper pga. lav masse og høy hastighet ved samme temperatur)

30 Muligheter for liv? Problem 3: Røde dvergstjerner er mer variable enn Solen (som er relativt stabil) Voldsomme flares som kan doble lysstyrken i løpet av få minutter (kraftige magnetfelt) Bundet rotasjon gir også planetene svakere magnetfelt, som gjør dem mer sårbare for stjernevinden

31 Røde dvergstjerner har likevel 2 fordeler
Det er mange av dem: Selv om det viser seg at stabile miljø for liv er sjeldne rundt slike stjerner, så hjelper det at man har mange stjerner å ta av Disse stjernene lever lenge: Det tok 4 milliarder år før vi fikk liv som vi kjenner det på jorden

32 Hvilke stjerner er det lite sannsynlig å finne liv rundt?
Type Masse Temp. Luminositet Levetid Antall O 50 K 10 mill. år % B 10 K 1000 100 mill. år 0.1 % A 2 8500 K 20 1 mrd. år 0.7 % F 1.5 6500 K 4 3 mrd. år 2 % G 1 5700 K 10 mrd. år 3.5 % K 0.8 4500 K 0.2 50 mrd. år 8 % M 0.3 3200 K 0.01 200 mrd. år 80 % Svar: O, B, A og F-stjerner lever i korteste laget til at liv skal oppstå

33 Gravitasjonell mikrolinsing

34 Slik kan det se ut

35 Andre metoder Astrometri Direkte oppdagelse

36 Hva finner vi eksoplaneter med?
Blå=Doppler, grønn=transitt, oransje=mikrolinsing, rød=direkte

37 Romteleskopet Kepler (2009)

38 Kepler bruker formørkelsesmetoden

39 Hva slags planeter finner vi?
Her ser vi i mer detalj hvordan planetkandidatene fra Kepler fordeler seg på ulike størrelser.

40 Hvor store og hvor fjerne?

41

42 ”Hjemløse” planeter

43 Den minste eksoplaneten (til nå)

44 AST Planetsystemet

45 Flest ”varm Jupiter”-planeter
Store planeter nær stjernen er lettere å oppdage enn mindre/fjernere.

46 Hva har vi lært om dannelse av planetsystemer?
Ekstrasolare planeter finnes i bane rundt en betydelig andel av sollignende stjerner. Ca. 10% har kjempeplaneter innenfor noen få AU, omtrent 30% har lettere planeter. Stort mangfold, både i masse og avstand fra stjerna. Tunge grunnstoffer, målt av forholdet mellom mengden jern og mengden hydrogen, til morstjerna spiller en viktig rolle i planetdannelsen. Solsystemet er forholdsvis utypisk, men det kan skyldes at observasjonsteknikkene favoriserer oppdagelsen av tyngre planeter nær sin morstjerne. Her en kort oppsummering av hva vi vet om eksoplaneter.

47 Biologiske signaturer
Entydige markører av biologisk aktivitet. Eksempler: Oksygen og metan. Galileo-sonden fant liv på jorda i 1990! Det neste logiske steget etter funn av jordlignende planeter i den beboelige sonen rundt en stjerne vil være å lette etter biologiske signaturer, biomarkører, i dens atmosfære. En god biomarkør må ha stor sannsynlighet for å bli dannet av liv, og minst like viktig: svært lav sannsynlighet for å bli laget i ikke-biologiske prosesser. Jordas atmosfære var opprinnelig mye mer CO2-rik, men grønne planter har gjennom fotosyntese omdannet CO2 til oksygen. Metan er en ustabil gass, og tilstedeværelse av betydelige mengder av denne over tid vil ikke skje uten at den blir fornyet, noe som kan skyldes biologiske prosesser. En tredje ting å se etter er absorpsjon av rødt lys på grunn av klorofyll i planter. For å demonstrere at fjerndeteksjon av liv er mulig i prinsippet, brukte Carl Sagan på begynnelsen av 1990-tallet data fra sonden Galileo disse tre biomarkørene til å påvise at det er liv på jorda. I tillegg så sonden radiosignaler som ikke hadde noen kjent naturlig kilde, og dermed var det mulig at livet også var intelligent…

48 Fremtidige prosjekter
GAIA (astrometri/parallakse) James Webb Space Telescope (optisk – direkte observasjon av eksoplaneter) PLATO (transittmetoden/formørkelse) EChO (eksoplaneters atmosfærer) Her er en liste over planlagte eksoplanet- og søk etter liv-prosjekter. Vi skal se raskt nærmere på dem i det følgende.

49 Jeg allerede nevnt GAIA flere ganger
Jeg allerede nevnt GAIA flere ganger. Den er en ESA-satellitt som ble skutt opp i desember Den skal drive med astrometri: måle posisjon, parallakse og hastigheter (både på tvers av synslinjen og langs synslinjen) for en milliard stjerner. Med presisjonen GAIA vil ha, vil det være mulig å oppdage eksoplaneter med den astrometriske metoden. Baner og masser for 1000 eksoplaneter er målet.

50 Det så mørkt ut en stund for James Webb Space Telescope, arvtageren til Hubbleteleskopet. Den amerikanske kongressen kuttet først budsjettet for dette prosjektet totalt, men tok det så inn i varmen igjen i november Det skal etter planen skytes opp i 2018. JWST er et teleskop for observasjoner i det infrarøde området. Speilet, vist i bildet over, vil være segmentert og ha en diameter på 6.5 meter. Det må holdes ved en svært lav temperatur på 40K. Dette gjøres ved hjelp av en skjerm som blokkerer ut sollyset. JWST skal brukes til mange prosjekter og vil ha flere instrumenter knyttet til teleskopet, men en av tingene den kan gjøre er å observere eksoplaneter direkte. Noen av instrumentene vil ha mulighet til å blokkere ut lyset fra stjerna slik at planetene kan sees.

51 PLATO (Planetary Transits and Oscillations of stars) var med i konkurransen om å bli en av to satellitter som ESA skal sende opp i Den tapte i siste runde for Solar Orbiter og Euclid, men ESA vil studere konseptet videre for en mulig senere oppskyting. Som det fremgår av navnet, er det transittmetoden som skal brukes. Den vil observere relativt lyssterke stjerner, noe som vil gjøre det lettere å bekrefte kandidater med oppfølgingsobservasjoner fra bakken. Den vil ha et mye større synsfelt enn Kepler, og vil følge opptil stjerner.

52 The Exoplanet Characterisation Observatory er et romteleskop som er valgt ut for videre studier av ESA. Det konkurrerer med tre andre forslag om å bli et såkalt M3-prosjekt, med oppskytning i EChO vil bli den første satellitten som er viet til å studere eksoplaneters atmosfærer. Den vil ta spektrene til et representativt utvalg eksoplaneter, slik at atmosfærenes sammensetning, temperatur og albedo (refleksjonsevne) kan bestemmes.

53 Nerdemoro Du kan hjelpe til med å lete etter planeter: Gå inn på
Hvis du har en smarttelefon, kan du også more deg med eksoplaneter via appen Exoplanet (kun til iOS). Android: Exoplanet Explorer

54 Hva med intelligent liv?
Sannsynligheten for sivilisasjoner på planeter rundt andre stjerner i vår galakse – Drakeligningen. Lytting etter signaler – SETI (Search For Extraterrestrial Intelligence). SETI har så langt ikke funnet signaler fra TRAPPIST-1

55 Drakeligningen N = R* fp ne fl fi fc L
N = antall teknologiske sivilisasjoner i galaksen. R* = dannelsesrate for høvelige stjerner i galaksen. fp = brøkdelen av slike stjerner som har planeter. ne = antall høvelige planeter pr stjerne med planeter. fl = brøkdel av slike planeter hvor liv faktisk oppstår. fi = brøkdel av disse planeter som har intelligent liv. fc = brøkdel av planeter med teknologisk kultur som kan og vil sende signaler ut i rommet. L = levetiden for en teknologisk avansert sivilisasjon. Typisk estimat: 1 < N < 10,000,000.

56 Innsetting i Drakeligningen
N = R* fp ne fl fi fc L R* ~ <1, 10> fp ~ <0.5, 1.0> ne ~ <0.1, 3.0> fl ~ 1.0 fi ~ <0.1, 1.0> (?) fc ~ 1.0 L ~ <100, 106> N ~ <0.5, 3∙107> Brøkdel ~ Avstand ~ 500 ly

57 SETIs ”radioøre” Lytting med bl.a. Areciboantennen.
Lytting på frekvenser MHz pga. lav bakgrunnsstøy. Også på 21 cm fordi dette er en mye brukt vitenskaplig frekvens. AST Liv i universet

58

59 Du kan hjelpe til Lån bort datamaskinen din til SETI når du ikke bruker den selv.

60