Lecture8

AST0111 — Astronomía
Clase 8
Planetas Extra-Solares
Hipótesis Nebular
➤ Material se acumula en un disco
ecuatorial (proceso muy común
en astrofísica.)
➤ Regiones centrales colapsan
para formar el Sol.
➤ El material en el disco se
amontona en grumos.
➤ Los planetésimos acumulan
material al barrer por el disco.
(colisiones son comunes durante
la formación del S.S.)
Resultado:
Todo rota en torno al centro en un
mismo plano y en el mismo sentido.
Disco proto-planetario alrededor
de la estrella HL Tauri
Migración
Migraciones a gran escala en el Sistema Solar:
• Júpiter migró hacia adentro, empujando a los planetas interiores.
• Neptuno migró hacia afuera, empujando a Plutón y los KBOs.
52
...¿como sabemos la edad del S.S.?
Procesos radioactivos sirven para medir la edad de la Tierra.
Mientras más vieja una piedra, menos material radioactivo tiene.
El material radioactivo se caracteriza por su vida media, que es el tiempo que demora en
decaer a la mitad de su abundancia inicial.
U238 (92 protones, 146 neutrones) ➞ varios decaimientos ➞ Pb206
Pb206 (82 protones) muy estable.
La vida media de U238 ≈ 4.5 x 109 años.
En el pasado había más U238 y menos Pb206, respecto a sus abundancias actuales
Supongamos que en una piedra hay U238 y Pb206.
Cada átomo de U238 decae en uno de Pb206,
N(U238) + N(Pb206) = constante
Supongamos que encontramos igual cantidad de U que de Pb, y que inicialmente no
había Pb, entonces la edad de la piedra es 4.5 mil millones de años
Recuerden:
- edad del Universo: 13.7 x 109 años
- edad del Sol:
4.5 x 109 años
Formación de la Luna:
Teoría del Gran Impacto
Un planeta del tamaño aprox de Marte (Theia) habría impactado la
Tierra, soltando varios “debris” (= piedrecitas) de su manto, que
colapsaron formando la Luna.
Esto habría formado también el océano Pacifico en la Tierra.
La teoría, propuesta en los anos '70 es actualmente la hipótesis
favorita, aunque deja problemas abiertos.
Evidencias a favor:
➤ Falta de hierro en el core de la Luna: esta se habría formado
a partir de la parte externa del impactor Theia, pobre de hierro.
Formación de la Luna:
Teoría del Gran Impacto
Un planeta del tamaño aprox de Marte (Theia) habría impactado la
Tierra, soltando varios “debris” (= piedrecitas) de su manto, que
colapsaron formando la Luna.
Esto habría formado también el océano Pacifico en la Tierra.
La teoría, propuesta en los anos '70 es actualmente la hipótesis
favorita, aunque deja problemas abiertos.
Evidencias a favor:
➤ Falta de hierro en el core de la Luna: esta se habría formado
a partir de la parte externa del impactor Theia, pobre de hierro.
➤ Baja densidad de la Luna comparado con la Tierra
➤ La Luna y La Tierra tienen la misma abundancia isotópicas
de oxígeno (la tierra y Theia venian de la misma región del S.S.)
[ asteroides provenientes de distintas regiones del S.S. tienen
razones isotópicas de oxígeno distintas ]
➤ El sistema Tierra–Luna es inusual, por la similitud entre las
masas de los dos. Esto se explica porque sería el resultado de
un evento extraordinario, como un impacto.
Formación de la Luna:
Teoría del Gran Impacto
No está claro como se habría formado (por acrecimiento de
planetésimos) un planeta tan grande como Marte, al mismo radio
de la Tierra, sin que los planetésimos de los dos se hubieran
juntados antes.
Pero si Theia no hubiese estado en órbita circular habría tenido
razones isotópicas distintas.
➤Una posibilidad es que Theia estuviese en uno de los puntos
Lagrangianos. Así estaría a un radio de 1AU pero por mucho
tiempo no habría impactado con la Tierra.
Perturbaciones de otros planetésimos podrían haber expulsado
ese planeta de su punto lagrangiano. Al salir fuera de ese punto,
la probabilidad de un impacto con la Tierra es muy alta.
Formación de la Luna:
Teoría del Gran Impacto
PROBLEMAS ABIERTOS :
Los principales problemas tienen que ver con las predicciones
detalladas de las razones de elementos presentes en la Luna.
Algunas de ellas (p.ej. la razón rubidio/cesio) no son las
esperadas.
Otro problema tiene que ver con la hipótesis que la Tierra en
esta época tuviera un océano de magma. Esto nunca ha sido
comprobado por observaciones geológicas de la estructura
del manto terrestre.
Hipótesis alternativas: fisión, captura, co-acrecimiento
Sistemas Planetarios en otras
estrellas (exo-planetas)
La estrella más cercana: Próxima Centauri
d = 300,000 U.A. = 4.2 ly = 1.3 pc
28,000 km/h
168,000 años
~200,000 años atrás….
“Un planeta como la Tierra en órbita alrededor de una estrella como el Sol es como una
luciérnaga al lado de un proyector militar de 1.5m de ancho, visto desde una distancia de
5000km, en una noche de niebla.
Buscando planetas extrasolares
Todas las estrellas tienen planetas? No sabemos.
El problema más grave para la búsqueda de planetas es la distancia.
Incluso las estrellas más cercanas están muy lejos, y no podemos ver
sus planetas. Tenemos que buscar métodos indirectos, y necesitamos
mediciones muy precisas.
La búsqueda de planetas extra-solares empezó hace unos 15 años,
basado en 2 métodos principales:
➤ usando velocidades radiales
➤ usando tránsitos
Velocidades Radiales (contexto)
Vimos que dos cuerpos ligados por la gravedad orbitan alrededor del baricentro del sistema.
m=
m
=M
M
✦
m
m<<MM
✦
m <<
<< M
M
m
✦
Velocidades Radiales (contexto)
El Sol también está “orbitando” alrededor
del baricentro Sol-Júpiter, que está adentro
del Sol mismo, y su órbita tiene perturbaciones
debidas a la presencia de Saturno
Júpiter
Saturno
✦
El Sol orbita alrededor del
baricentro Sol-Júpiter a una
velocidad de 12 m/s
El espectro electromagnético
Para medir este movimiento, necesitamos volver a hablar de la luz, y del espectro electromagnético:
o sea la intensidad de la luz emitida a distintas longitudes de onda
El espectro electromagnético
Ejemplo: el espectro del Sol.
Los fotones que faltan: lineas
de absorción en el espectro de
las estrellas
Los átomos del atmósfera del Sol
pueden absorber algunos fotones
de la luz producida en el interior,
eliminándolos del espectro que
llegan a la Tierra.
La ausencia de estos fotones produce
líneas oscuras en el espectro. Por la
posición e intensidad de estas líneas
sabemos cuales elementos hay en la
superficie del Sol, y sus abundancias.
Hα
Na
Mg
Hβ
El efecto Doppler
Objetos que se acercan al observador tienen sus líneas espectrales corridas hacía el azul,
objetos que se alejan del observador, tienen sus líneas corridas hacía el rojo.
El corrimiento,
Δλ es:
v
=
c
Observación del movimiento de una estrella
debido a la presencia de un planeta
Órbita de la estrella
alrededor del centro de masa
(visto desde arriba)
La estrella se acerca y se
aleja con respeto al observador
Las líneas en el espectro
se corren hacía el rojo y luego
hacía el azul
23
Método de las Velocidades Radiales
para buscar exo-planetas
51-Pegasi-b
el primer planeta extra-solar confirmado
Mayor & Queloz (1995) Nature
M sini = 0.47 MJ
MP > 0.47 MJ
M✷~ M⦿
Período.: 4.2 días [ Período Júpiter: 11 años ]
Distancia estrella-planeta: 0.05 U.A.
El movimiento de la estrella depende de la masa del planeta y de su distancia
●
Entonces el método de
las velocidades radiales
permite medir la masa
del planeta (M sini )
y el período orbital.
Ángulo i = inclinación de la (perpendicular
a) la órbita con respeto a la línea de visión.
i =0° órbita face-on: sin i =0
i =90° órbita edge-on: sin i =1
Método de las Velocidades Radiales
para buscar exo-planetas
El primer planeta extra-solar detectado usando velocidades radiales se
descubrió en la estrella 51 Pegasi por los astrónomos suizos M. Mayor y
D. Queloz en 1995.
El primer sistema de varios planetas se descubrió en la estrella Upsilon
Andrómeda por los astrónomos norteamericanos G. Marcy y P. Buttler en 1999
Estos descubrimientos cambiaron nuestra visión:
➤ sabemos a ciencia cierta que hay otros sistemas planetarios
➤ los sistemas planetarios podrían ser abundances en nuestra galaxia
TODOS los exo-planetas descubiertos a la fecha
www.exoplanet.eu
Júpiter
Tierra
distancia Tierra-Sol
TODOS los exo-planetas descubiertos a la fecha
Júpiter
Tierra
distancia Tierra-Sol
Los planetas de tipo Júpiter-calientes (hot-júpiters)
TODOS los exo-planetas descubiertos a la fecha
Pensamos que los hot-júpiters y hot-neptunes no podrían haberse formado tan cerca de su estrella,
por esto empezamos a considerar hipótesis de migración de planetas, de una distancia a otra.
Júpiter
Tierra
distancia Tierra-Sol
Método de los TRÁNSITOS
para buscar exo-planetas
Método de los TRÁNSITOS
para buscar exo-planetas
La disminución de luminosidad depende del radio relativo planeta/estrella
Entonces el método de
los tránsitos permite
medir el radio del planeta
luminosidad
luminosidad
El método funciona solamente para planetas en órbitas vistas de costado
tiempo
tiempo
NASA Mission: KEPLER
http://kepler.nasa.gov/Mission/discoveries/
NASA Mission:
KEPLER
TODOS los exo-planetas descubiertos a la fecha
masa de la Tierra
TODOS los exo-planetas descubiertos a la fecha
masa de la Tierra
¿ Cuál es la fracción de estrellas con planetas?
¿ Cuál es la fracción de estrellas con planetas?
> 50% …. 77%?
C. Burke et al. (2015, ApJ, 809, 8)
algunas incertidumbres:
▶ planetas muy chicos/lejanos no se pueden detectar
▶ planetas en órbitas face-on no se pueden detectar
▶
estrellas con actividad fotosférica no se pueden monitorear
▶ el porcentaje de planetas varía en ambientes distintos
(menor en cúmulos estelares)
▶ el porcentaje de planetas varía con la metalicidad de la estrella
(mayor en estrellas más metálicas)
La ecuación de Frank Drake
(1960)
¿ Cuál es la fracción de estrellas con planetas, que
podrían albergar vida?
La zona habitable de un sistema planetario
es la zona donde puede existir agua liquida (puede, pero existe?)
Imagenes directas de planetas
400
a.l. directa
20 Mde un
0.70
Primera
imagen
planeta
planeta:
J 0.7 M⦿
M ~20 MJ estrella:
SUN
Imagenes directas de planetas
Telescopio Gemini (2008)
planeta: ~8 MJ estrella: 0.85 M⦿
1RXS 1609
planeta: ~11 MJ
HD8799
estrella: 1.5 M⦿
Atmósferas de planetas
Tienen agua liquida?
Tienen atmósfera?
Cuales gases en el atmósfera?
Tienen vida?
Atmósferas de planetas:
espectroscopía de transmisión
Tienen agua liquida?
Tienen atmósfera?
Cuales gases en el atmósfera?
Tienen vida?
Atmósferas de planetas:
espectroscopía de transmisión
Tienen agua liquida?
Tienen atmósfera?
Cuales gases en el atmósfera?
Tienen vida?
Venus transitando frente al Sol
Atmósfera Terrestre ~ 100 km
Radio Terrestre
~ 6400 km
Buscamos una signal muy chica!!
Atmósferas de planetas
En la práctica, debido a la signal muy debil del
atmósfera del planeta, lo que se hace es una especie
de espectro de muy baja resolución.
O sea, se mide el radio del planeta a través de
tránsitos en distintos filtros (=en distintas longitudes
de onda). El radio sale distinto en cada filtro porque
el atmósfera es más o menos transparente en distintas
longitudes de onda. La gráfica del radio en función de
la longitud de onda es casi como un espectro.
Ese se compara con distintos modelos de atmósferas
(con/sin agua, con/sin nubes…etc etc)
y se encuentra el modelo que reproduce mejor los
datos. Incertidumbres MUY GRANDES de momento.
Atmósferas de planetas: el test del Ozono
Co-evolución del atmósfera y de la vida:
La presencia del atmósfera ha permitido la vida.
La vida ha cambiado la composición del atmósfera.
Y los ovnis ¿qué??
las grandes distancias y el problema de la comunicación
Las grandes distancias y el problema de la comunicación
inicio
término
civilización 1
PLANETA 1
t=d/c
civilización 2
PLANETA 2