Planeten en exoplaneten De binnenplaneten De buitenplaneten

De binnenplaneten
De zon en de planeten
¾
Planeten en exoplaneten
Relatief klein
¾
¾
¾
Hoge dichtheid
¾
¾
Paul van der Werf
¾
¾
Sterrewacht Leiden
Lage massa
Kleine straal
Voornamelijk rotsachig materiaal
Veel zware elementen
Vast oppervlak
Weinig satellieten
+HWOHYHQGKHHODO
IHEUXDUL
Planeten en exoplaneten
De buitenplaneten
¾
¾
¾
¾
¾
¾
Hoge massa
Grote straal
¾
¾
vloeibaar water (71% van
het oppervlak)
vast oppervlak
zuurstofrijke atmosfeer
¾
¾
Voornamelijk gasvormig
Voornamelijk H2 en He
Geen vast oppervlak
3
Vloeibaar water in het zonnestelsel
¾
Lage dichtheid
¾
Planeten en exoplaneten
Waarom is er leven op aarde?
Relatief groot
¾
2
¾
¾
schermt UV af
beschermt tegen meteorieten
thermostaat (broeikaseffect)
gelijkmatige verwarming
Veel manen
¾
¾
¾
Planeten en exoplaneten
4
Planeten en exoplaneten
5
Mercurius en Venus te heet voor vloeibaar water
Mars en reuzenplaneten te koud voor vloeibaar water
Aarde precies goed
Planeten en exoplaneten
6
1
Atmosfeer en zwaartekracht
De aardatmosfeer
De ontsnappingssnelheid is
de snelheid die een object
moet hebben om aan de
zwaartekracht te ontsnappen.
Dus: ∆E = 0
tot
⇒ 12 mve2 =
¾ Waarom geen H2 en He
atmosfeer?
¾ Waar komt het water
vandaan?
¾ Hoe kan de aarde een
atmosfeer vasthouden?
Planeten en exoplaneten
⇒ ve =
7
¾
¾
¾
¾
¾
¾
¾
¾
¾
vulkanisme: H2O, CO2, N2, (H2 ontsnapt)
kometen: H2O
H2O vormt oceanen, lost meeste CO2 op
CO2 opgesloten in kalksteen
O2 vrij recent: ~ 2 miljard jaar geleden,
fotosynthese (dus gevolg van leven!)
O2 geioniseerd door UV in hoge atmosfeer, vormt ozon O3
O3 beschermt leven op land
Planeten en exoplaneten
kT
vrms =
te heet om atmosfeer vast te houden
¾ Venus,
Aarde, Mars: kunnen zware moleculen
vasthouden, lichte moleculen ontsnappen
2
v dv
met als typische snelheid
¾ Maan:
te licht om atmosfeer vast te houden, zelfs
zware moleculen ontsnappen
3kT
m
dus om een molecuul vast te houden
Planeten en exoplaneten
oorspronkelijke atmosfeer (H2 + He) verloren!
Tweede atmosfeer: "outgassing"
¾
F (v)dv ∝ e
− 12 mv 2
¾ Mercurius:
GmM ⊕
150kr⊕
8
Broeikaseffect
T ≈ 300 K dus vrms>ve voor H2 en He
¾
2GM ⊕
r⊕
Wat is de snelheid van
moleculen in de atmosfeer?
De snelheidsverdeling is de
Maxwellverdeling:
bv. ve > 10vrms ⇒ T <
Evolutie van de aardatmosfeer
¾
GmM ⊕
r⊕
Atmosferen van binnenplaneten
Planeten en exoplaneten
9
Broeikasgassen en temperatuur
Zon verwarmt aarde tot ~300 K dus
aarde straalt vooral bij ~10–20µm
(wet van Wien).
Broeikasgassen (CO2, CH4)
absorberen bij 10–20µm dus
atmosfeer warmt op.
¾
⇒broeikaseffect!
¾
Delicate balans!
CO2 in de atmosfeer
meer broeikasgassen ⇒ hogere
temperatuur, klimaatveranderingen
temperatuur
10
Planeten en exoplaneten
11
Planeten en exoplaneten
12
2
Voorbeeld synchrone rotatie: aarde-maan
Klimaat en getijden
¾
¾
Synchrone rotatie: omlooptijd = rotatieperiode (jaar = dag)
¾
Bij synchrone rotatie geen gelijkmatige verwarming
¾
¾
Getijden remmen de rotatie van een planeet af totdat die in
synchrone rotatie komt: "tidal lock"
¾
¾
¾
13
Mars
¾
¾
¾
¾
¾
¾
¾
Getijden zijn sterker dichter bij een ster: tidal lock van
belang voor binnenste planeten
Planeten en exoplaneten
Maan veroorzaakt getijden op aarde
¾
¾
Venus
¾
¾
vloedpieken worden door wrijving met aarde meegenomen: lopen iets voor
gravitationele krachten op de vloed-pieken remmen de rotatie van de aarde af
gravitationele kracht van vloedpieken trekken de maan vooruit in zijn baan
behoud van impulsmoment en energie ⇒ afstand aarde-maan neemt toe (~3 cm/jaar)
¾
Getijden ⇒ langzamere rotatie
+ grotere afstand
Lang geleden: maan veel
dichterbij, getijden veel sterker
en vaker
Verre toekomst: maan veel
verder weg, getijden zwakker
en minder vaak
Eindpunt: synchrone rotatie
aarde (dag = maand)
Planeten en exoplaneten
¾
¾
Venus heeft ongeveer dezelfde massa
als de aarde.
De atmosfeer van Venus is rijk aan
CO2. Anders dan op aarde wordt die
niet door oceanen geabsorbeerd ⇒
extreem broeikas effect met
temperatuur van 750K (warmer dan
Mercurius overdag!)
Oppervlak niet zichtbaar door wolken
⇒ radarkartering
Retrograde rotatie
14
Planeten en exoplaneten
Erosie op Mars: vroeger vloeibaar water
15
Leven op Mars?
¾
Mars heeft ongeveer half de
straal en 10% van de massa
van de aarde.
Vrij sterk bekraterd maar ook
vulkanisme (dood) en erosie
door water (vroeger) en wind
(vroeger en nu)
Actieve atmosfeer (stormen)
Seizoenen
Vroeger water ⇒ leven?
¾
¾
¾
1877: Schiaparelli: “canali”
¾
door sommigen voor planetair
irrigatie systeem gehouden
1898: H. G. Wells
“War of the Worlds”
1938: Orson Welles
radio uitzending
1976: Viking 1 opname:
het gezicht op Mars
Viking 1
Mars Explorer
Planeten en exoplaneten
16
Planeten en exoplaneten
17
Planeten en exoplaneten
18
3
Fossiel bacterieel
leven?
Europa
¾ 1997:
mogelijke
fossiele bacteriën in
Mars-meteoriet
gevonden in
Antarctica
¾
¾
Planeten en exoplaneten
19
maan van Jupiter
gebarsten ijsoppervlak met waarschijnlijk daaronder vloeibaar water
Planeten en exoplaneten
100 x 140 km
20
IJsschotsen op Europa
Planeten en exoplaneten
21
Titan
DWPRVIHHU
¾ koolmonoxide, methaan, ethaan, waterstof cyanide en andere
verbindingen aangetoond op Titan (maan van Saturnus)
¾ methaan is vloeibaar en speelt de rol van water op aarde
1.7 x 4 km
¾ rijke chemie onder invloed van invallend zonlicht
YDQDFKWHUHQYHUOLFKW
32 x 42 km
Planeten en exoplaneten
22
Planeten en exoplaneten
23
Planeten en exoplaneten
¾ waterstof cyanide (HCN) is een cruciale bouwsteen voor
sommige aminozuren, de basisstoffen van eiwitten en DNA
⇒ prebiotische chemie ?
24
4
Vorming van het zonnestelsel
¾
¾
¾
¾
GRRU WHPSHUDWXXU YHUVFKLOOHQ
Newton: vorming zonnestelsel valt buiten de fysica en is het gevolg van
een scheppingsdaad.
Begin van moderne discussie: nevelhypothese van Immanuel Kant
(1724–1804) en Pierre-Simon de Laplace (1749–1827)
LMV &++ 21+
Pas sinds enkele tientallen jaren onderwerp van actief sterrenkundig
onderzoek
25
¾
¾
¾
¾
26
¾
¾
valt samen met toename van zuurstof in atmosfeer
oudste meercellige organismen:
~550 miljoen jaar oud
eerste mensen: ~5 miljoen jaar geleden
¾
¾
¾
Ondanks aartsbisschop Ussher beweerden geologen al in de 18de en
19de eeuw op grond van rotslagen en fossielen dat de aarde tientallen
miljoenen jaar oud was, maar absolute datering was moeilijk.
Absolute datering werd mogelijk met ontdekking van radioactief verval
in 1896 door Becquerel en de Curies.
Radioactieve datering toont aan dat de oudste rotsen op aarde
3.8 miljard jaar oud zijn, maanrotsen 4.2 miljard jaar en meteorieten
4.5–4.7 miljard jaar.
Het zonnestelsel is dus ongeveer 4.6 miljard jaar oud
Planeten en exoplaneten
¾
¾
¾
¾
¾
¾
meercelligheid is “moeilijk”?
¾
Menselijke intelligentie verschijnt pas in
de laatste 0.001% van de geschiedenis
van het leven
¾
¾
¾
“gemakkelijk” proces?
zie Miller-Urey experiment
maar: >80% van de geschiedenis van het
leven tot nu toe bestaat uit eencellige
organismen
¾
¾
27
Extreme aardse levensvormen (extremofielen)
Leven ontstaat bijna onmiddellijk
¾
bacteriën
oudste eukaryoten (cellen met kernen):
~2 miljard jaar oud
¾
YRUVWOLMQ
¾
zon vormt na ~107 jaar
temperatuur neemt af
met straal
binnenplaneten: zon
blaast gas weg en alleen
materialen met hoog
smeltpunt condenseren:
rotsachtige planeten met
dunne atmosfeer
buitenplaneten: gas
ingevangen in dikke
atmosferen, vorming
van ijslichamen
Leven op aarde: implicaties
oudste rotsen: ~3.8 miljard jaar oud
oudste fossielen: ~3.5 miljard jaar oud
¾
¾
Planeten en exoplaneten
Ontstaan van leven op aarde
¾
¾
¾
Aartsbisschop James Ussher stelde in 1664 dat de aarde was ontstaan in
4004 v.Chr., op 26 oktober, om 9 uur 's ochtends, en dus ongeveer 6000
jaar oud was.
Planeten en exoplaneten
¾
Leeftijd van het zonnestelsel
Differentiatie
Anaeroben – geen vrije zuurstof
Thermofiel – hoge temperaturen (>70º C)
Psychrofiel – lage temperaturen (~0° C)
Acidofiel – hoge zuurgraad (pH ~ 0)
Alkalofiel – sterk basisch (pH ~ 10)
Halofiel – hoge zoutconcentratie
Barofiel – hoge druk
Xerofiel – extreme droogte
Anaerobe schimmel
Er bestaan ook levensvormen die bestand zijn tegen straling of in rotsen
leven (endolithisch, zelfs kilometers onder aardoppervlak).
intelligentie is “moeilijk”?
NB: redenering op grond van slechts 1 voorbeeld is riskant
Planeten en exoplaneten
28
Planeten en exoplaneten
29
Planeten en exoplaneten
30
5
Leven bij andere sterren
IJswormen!
¾
In 1997 werd een bizarre
duizendpootachtige worm
op 700 m diepte ontdekt in
de Golf van Mexico. Ze
leven van methaan hydraat,
methaan-water ijs dat
vormt onder extreme druk
en koude.
¾
¾
¾
¾
onwaarschijnlijk dat leven zich ontwikkelt in
de korte evolutieperiode van een zware ster
matig lichte sterren (types FGKM) leven lang
genoeg
31
Planeten en exoplaneten
32
¾
stabiele sterren, stabiele banen
¾
400
geen dubbelsterren
geen zeer lichte sterren (vaak onstabiel)
M
200
K
G
F
0
I
conclusie:
zeer veel geschikte sterren
A
II
III
IV
B
V
WD
Planeten en exoplaneten
beweging van de ster
1
2
3
4
4
Doppler-effect
∆λ v
=
λ c
beweging van de planeet
Hoe zwaarder de planeet, hoe groter het snelheidsverschil.
⇒ alleen zware (~Jupiter) planeten kunnen op deze manier
aangetoond worden
Oplossing: meet de verschillen in radiële snelheid van een ster, veroorzaakt
door de aantrekkingskracht van de rond de ster draaiende planeet:
Doppler-spectroscopie
Planeten en exoplaneten
1
3
1
naar aarde
34
2
2
Probleem: bij een aarde-achtige planeet rond een zon-achtige ster is de ster
109× zo helder als de planeet ⇒ exoplaneet kan niet direct worden
waargenomen
>50% van de jonge sterren heeft een protoplanetaire schijf
afmetingen schijven vergelijkbaar met zonnestelsel
massa's schijven ongeveer 1% van massa van de ster: genoeg voor vorming
van een zonnestelsel
33
4
3
Giordano Bruno (16de eeuw): "Er zijn ontelbare zonnen en ontelbare aardes
die rondom hun zonnen draaien, precies zoals onze zeven [sic] planeten
hun baan rond de zon volgen."
Planeten en exoplaneten
800
600
bouwstof voor planeten
Doppler-spectroscopie
Teng Mu (13de eeuw): "Hoe onredelijk zou het zijn, te veronderstellen dat
behalve de aarde en de hemel die we zien, er geen andere hemelen zouden
zijn, noch andere aardes."
¾
1000
genoeg zware elementen
¾
Exoplaneten
Protoplanetaire schijven
¾
1200
… en de kokerwormen die
er leven
Planeten en exoplaneten
¾
Stars within 25 pc
leeftijd lang genoeg
¾
¾
vulkanische pijpen …
geschikte sterren:
35
Planeten en exoplaneten
36
6
Zware exoplaneten
51 Pegasi
¾
¾
We weten:
¾ vp en P (uit Doppler metingen)
¾ Mster (uit spectrum)
Resultaat voor planeet rond 51 Peg:
¾ massa 0.47 Mjupiter
⇒ zware planeet
¾ baanstraal 0.05 AU! ⇒ heel dichtbij ster (vgl. Mercurius: 0.6 AU)
⇒ Bizar! Wat is dit voor planeet?
We kunnen dan berekenen:
¾ Mp (massa planeet)
¾ Rp (afstand planeet-ster)
Afstand tot ster suggereert een rotsachtige planeet, want gasreuzen kunnen
niet zo dicht bij ster vormen.
Maar: rotsachtige planeten rond de zon zijn veel kleiner.
Resultaten: vp = 53 m s–1
P = 4.15 dagen!
Planeten en exoplaneten
Straal uit eclips fotometrie
⇒ kunnen we de straal van deze planeet bepalen?
37
Hete Jupiters
Resultaat: Rp = 1.4 Rjup: gasreus
Planeten en exoplaneten
39
Epistellaire reuzenplaneten
Alle zware exoplaneten op korte afstand van hun ster waarvan we de straal
hebben kunnen meten blijken gasreuzen te zijn:
⇒ "hete Jupiters"
Er zijn nu >100 van deze zg. "epistellaire reuzenplaneten" bekend.
Ze zijn waarschijnlijk op grotere afstand gevormd, en naar binnen
gemigreerd (door wrijving van gas/stofschijf en interacties met andere
planeten). Er worden ook sterk elliptische banen gevonden.
Vanwege deze migratie is het onwaarschijnlijk dat deze sterren
aard-achtige planeten hebben, maar de reuzen-binnenplaneten kunnen wel
bewoonbare manen hebben.
Planeten en exoplaneten
40
De bewoonbare zone
¾
NB: waarom alleen
zware planeten
gevonden?
Vloeibaar water waarschijnlijk essentieel voor leven
¾
¾
Planeten moeten de juiste temperatuur hebben
Temperatuur hangt af van afstand tot en lichtkracht van ster
¾ bewoonbare
¾
Omdat dit de enige
planeten
zijn die zo gevonden
kunnen worden
("selectie-effect").
¾
¾
¾
zone
Probleem bij kleine baanstraal:
tidal locking
Probleem bij grote baanstraal:
gasreuzen
Probleem bij zware sterren:
leven te kort
Probleem bij lichte sterren:
te onstabiel
Waarschijnlijk hebben de meeste enkelvoudige sterren planeten.
Planeten en exoplaneten
41
Planeten en exoplaneten
42
Planeten en exoplaneten
43
7
¾ Sommige
exoplaneten bevinden zich in bewoonbare
zones
¾
¾
Zoeken naar exo-leven
Hoe vinden we een atmosfeer?
Planeten in bewoonbare zones
NB: dit zijn voornamelijk gasreuzen
Deze kunnen rotsachtige manen hebben die geschikt zijn voor leven
(Titan is net zo groot als
Mercurius)
¾
Bv. broeikasgassen (CO2)
¾
Bv. natte atmosfeer (H2O)
¾
Zoek een H2O/O2 atmosfeer
1. O2 wordt voortgebracht door leven (fotosynthese)
CO2 + 2 H2O + hν → (H–CHO) + O2 + H2O
2. O2 : zeer reactief, verdwijnt in ~ 107 jaar, tenzij continu aangevuld
Bv. zuurstof atmosfeer: niet in
chemisch evenwicht, dus
aanwijzing voor leven
Extrasolar planets
¾
Planeten en exoplaneten
44
Aanwezigheid van O2 = teken van leven
MITS geen abiotische productie
Mid-infrarood spectroscopie
kan ons dit vertellen
Planeten en exoplaneten
45
Planeten en exoplaneten
46
Het probleem
¾
Licht detecteren van exoplaneten is
moeilijk:
¾
¾
¾
¾
¾
¾
Planeet zendt slechts enkele
fotonen/sec/m2 uit bij 10 µm
Ster zendt 106× zo veel uit
Planeet dicht bij ster (bewoonbare zone)
Stof rond de ster 300× helderder dan
planeet
Zoeken van een vuurvliegje naast een
zoeklicht op een mistige nacht
Kontrast ster-planeet gunstigst in
infrarood
Ruimte-interferometrie moet dit
mogelijk maken
Planeten en exoplaneten
47
8