The Birth and Evolution of Brown Dwarfs

1
Bioastronomia
Eduardo L. Martin Instituto Astrofisico de
Canarias Y Universidad de Florida Central
Curso Real Sociedad de Amigos del Pais. Abril 2004
2
(No Transcript)
3
Interaccion entre disciplinas que contribuyen a
la bioastronomia
4
El Universo antropocentrico

• Las hipotesis de Copernico son muy coherentes y
  no implican ningun riesgo. Si hubiese alguna
  prueba de esas hipotesis deberiamos volver a
  interpretar las sagradas escrituras, pero yo no
  conozco ninguna prueba de esa clase. Cardenal
  Roberto Bellarmino, inquisidor que condeno a la
  hogera a Giordano Bruno en 1606.

5
Revolucion de Copernico-Kepler
6
La Tierra un lugar especial ?

• La Via Lactea puede contener mas de 100 millones
  de planetas.
• El Universo contiene mas de 100 millones de
  galaxias espirales.
• Que tipo de vida se desarrollaria en un planeta
  analogo a la Tierra?

7
Ecologia galactica

• La Via Lactea contiene enormes nubes de gas
  neutro.
• Las zonas de mayor concentracion de gas son las
  nubes moleculares. En su seno se forman las
  estrellas.
• Las estrellas mas masivas explotan como
  supernovas
• Las sucesivas generaciones de estrellas se forman
  a partir de material contaminado por las
  estrellas anteriores.

8
Estructura de cebolla

• Las estrellas funden elementos cada vez mas
  pesados a lo largo de su vida.
• Las mas masivas que 8 veces el Sol, adquieren una
  estructura de cebolla, con el Fe en el centro.

9
Supernova 1987A
10
Nebulosa del cangrejo
11
Nebulosas planetarias

• Las estrellas de baja masa, como el Sol, no
  alcanzan la fusion del Fe.
• Pierden su envoltura superior y dejan una enana
  blanca.

12
Abundancias de elementos quimicos

• El H y He producidos en el Big Bang dominan.
• El C y O, fundamentales para la vida, son
  producidos en estrellas gigantes.
• El Fe y Ni se producen en explosiones de SN.

13
Formacion estelar

• Las estrellas se forman por colapso de nubes
  frias en rotacion.
• La conservacion del momento angular induce la
  formacion de discos y la emision de chorros de
  materia.

14
Formacion planetaria

• En el disco circumestelar se producen
  condesaciones de gas y polvo.
• Los planetas terrestres se forman por acumulacion
  de planetesimos. Los planetas gigantes podrian
  formase por colapso gravitacional.

15
Disco de debris

• Epsilon Eridani es una de las estrellas mas
  cercanas al Sol.
• Se ha estimado que es 10 veces mas joven que el
  Sol.
• Posee un disco inhomogeneo de polvo.

16
Formacion de moleculas complejas en granos de
polvo

• En la superficie de granos de polvo en disco
  protoplanetario tienen lugar reacciones quimicas
  inducidas por rayos X o UV.
• Se producen largas cadenas de complejos
  carbonaceos de importancia organica.

17
Nuestro Sistema Planetario
Que tipo de planetas hay en el Sistema Solar?

• Una estrella relativamente aislada en la Via
  Lactea.
• Cuatro planetas rocosos internos (0.3-2.5 UA).
• Cuatro planetas gigantes gaseosos externos (5-30
  UA).
• Orbitas coplanares y circulares de los 8 planetas
• Lunas, anillos, asteroides, cometas, plutinos,
  planetoides (Sedna).

18
Mini sistemas planetarios

• Todos los planetas gigantes del sistema solar
  tienen sistemas de satelites en orbitas
  coplanares.
• Cada planeta se formo a partir de una nebulosa en
  rotacion.

19
Teorias sobre el origen de la vida
20
Clasificacion de seres vivos
21
Que planeta es este?
22
Marte en la actualidad

• 1.5 U.A.
• 0.53 Dtierra
• e0.09
• M0.11 Mtierra
• G0.38g
• Atmosfera tenue (1 de la Tierra). Compuesta en
  un 95 de CO2.

23
Agua liquida en Marte
24
Meteorito ALH84001
25
Planetas gigantes
26
Satelites de Planetas Gigantes
27
Saturno y Titan
28
La superficie de Titan
Josep Comas Sola 1908, Astro. Nach. 179, 289
29
Composicion quimica de Titan
30
(No Transcript)
31
La nave espacial Cassini
32
La sonda Huygens
33
El cometa Shoemaker-Levy 9
34
Los satelites de Jupiter
35
Fuentes de energia
36
Imagen del Voyager
37
Crater Pwyll
38
Bloques de hielo flotantes
39
Metodos de deteccion de exoplanetas
40
Los planetas Kampianos de la estrella de Barnard
Busqueda pionera de exoplanetas

• En 1916 E.E. Barnard descrubrio la estrella con
  movimiento propio mas rapido (10.3 /a) lo que
  la hara aproximarse a 1.1 pc del Sol en el 11800.
  
• En 1969, P. van de Kamp culmina mas de 25 años de
  trabajo astrometrico con el anuncio de dos
  planetas de tipo joviano en orbitas circulares de
  12 y 26 años.

41
Museo de unicornios cosmicos
Axioma de Anderson Solo se puede ser joven una
vez, pero se puede ser inmaduro siempre.

• J. Hershey, estudiante de van de Kamp, encuentra
  cambios astrometricos similares en otras
  estrellas en el campo de las placas fotograficas
  de su director.
• G. Gatewood y H. Eichhorn no encuentran
  perturbaciones planetarias en el movimiento de la
  estrella de Barnard en placas tomadas desde 1916
  hasta 1971.
• Van de Kamp sigue defendiendo la existencia de
  los planetas hasta su ultimo trabajo de 1982.

42
Planetas en torno a un pulsar!!
Wolszczan y Frail 1992, Nature, 355, 145

• Observaciones de perturbaciones en el tiempo de
  llegada del pulsar PSR B125712 en Arecibo
  (D305m).
• Se trata de un pulsar de periodo corto (P6.2
  ms).
• Un planeta de 3.4 MTierra a 0.36 AU, y otro de
  2.8MTierra a 0.47 AU.

43
Resonancias orbitales
Wolszczan 1996, Science, 246, 538

• Cinco años mas tarde, Wolszczan publico la
  deteccion de interacciones gravitacionales y la
  presencia de un tercer planeta interior (0.19 AU)
  con masa similar a la luna (0.015 MTierra).

44
Una Gran Cosecha
Regla de Rives todo se desmorona el mismo dia.

• En 1995 fueron descubiertos tres objetos clave
  51 Peg b (Mayor y Queloz), Gl 229B (Nakajima et
  al. y Oppenheimer et al.) y Teide Pleyades 1
  (Rebolo, Zapatero-Osorio y Martin).
• Quedaba demostrada la existencia de enanas
  marrones y exoplanetas.

45
Gl 229 B
Nakajima et al. 1995, Nature

• Descubierta con un coronografo montado en un
  telescopio de 1.5-m en Monte Palomar.
• Delta H 11 mag, Separacion 7 arcsec (44 AU).
  L10-5 Lsol

46
Espectro IR de Gl 229B
Oppenheimer et al. 1995, Science

• El espectro IR de esta enana marron es similar al
  de Jupiter, dominado por absorcion de agua y
  metano.
• Teff1000 K, mucho menor que la minima
  temperatura de la SP (1800 K).

47
Un puente entre estrellas y planetas

• Teide 1 es un prototipo de enana marron joven,
  con temperatura similar a las estrellas viejas de
  muy baja masa. Esta en una fase temprana de
  contraccion.
• Gl 229B es un prototipo de enana marron vieja,
  con radio similar a Jupiter pero mas caliente.

48
La Vecindad Solar
Cuales son las estrellas y enanas marrones mas
cercanas?

• Las enanas M son las estrellas mas abundantes en
  la vecindad solar.
• Hasta 1997 se conocia solo una enana marron
  dentro de 8 pc (Gl 229 B). Actualmente se conocen
  una docena.

49
Nuevos Vecinas Enanas

• Los mapeos del cielo DENIS, 2MASS y SDSS, asi
  como estudios de movimientos propios han
  descubierto docenas de enanas marrones a
  distancias lt 20 pc. La mas cercana (Eps Ind B)
  esta a solo 3.6 pc y es binaria.
• La prueba del Li ha permitido verificar la
  naturaleza subestelar.

50
Extrapolacion de las enanas marrones
descubiertas
Cuanto contribuyen en masa las enanas marrones?

• Teniendo en cuenta la incompletitud de los
  mapeos, se estima una cantidad total de enanas
  marrones similar a la de las estrellas, pero
  contribuyendo menos de un 10 a la masa del disco
  de la Via Lactea.

51
51 Peg b
Mayor Queloz 1995, Nature Marcy Butler 1996,
ApJ

• Observaciones durante 18 meses usando ELODIE en
  el telescopio de 1.9-m del OHP. Precision de 12
  m/s.
• Curva de luz estable durante 17 noches (ESO).
• Msini 0.5 MJupiter.
• Mgt13 Mjup si ilt2 deg.

52
Primer planeta orbitando una estrella de tipo
solar

• 51 Peg es una estrella vieja (8 Gyr) de tipo
  espectral G3IV.
• La fotosfera de la estrella es muy estable.

53
Un orbita muy cerrada

• 51 Peg b esta 100 veces mas cerca de su estrella
  que Jupiter del Sol y 8 veces mas cerca que
  Mercurio.
• No se esperaba la presencia de un planeta joviano
  con separacion lt 5 AU.

54
Un planeta muy caliente

• La temperatura del planeta es proporcional al
  radio y la temperatura de la estrella, su
  distancia, el albedo y la eficiencia de
  distribucion de energia en el planeta.
• Para 51 Peg b, T1250K

55
Distribuciones espectrales

• El sol es mucho mas brillante que los planetas
  del Sistema Solar.
• Contraste de 107 en UV, 109 en el visible, 108 en
  el IR cercano, 106 en el IR lejano.

56
Contraste estrella-enana marron
Allard et al. 2001 Chabrier et al. 2000

• El contraste entre una estrella de tipo solar y
  una enana marron aumenta cuando disminuye la
  temperatura de la enana segun los modelos
  teoricos.
• La region en torno a 5 micras presenta los
  contrastes minimos.

57
Evolucion del contraste

• Los modelos muestran la evolucion del contraste a
  3.8 micras entre el Sol y enanas marrones con
  masas entre 70 y 15 veces la masa de Jupiter.
• El contraste aumenta con la edad.

58
El cumulo ?Orionis

• Descubierto por el distinguido astronomo de la
  foto inferior.
• D350pc, age2-8 Myr.
• 60 estrellas emisoras de rayos X
• 40 enanas marrones
• Planetas?

59
Diagrama H-R subestelar
Bejar et al. 2001, ApJ

• Las edades y masas de los miembros del cumulo se
  estiman usando modelos evolutivos en el diagrama
  Hertzsprung-Russell.
• En ?Orionis hay una secuncia continua de
  miembros desde unas 30 Msol hasta 8 MJupiter,
  por debajo de la masa minima para fragmentacion
  limitada por opacidad.

60
La FIM subestelar
Bejar et al. 2001, Zapatero Osorio et al. 2003

• La FIM del cumulo ?Orionis no cambia abruptamente
  en el limite subestelar. Las enanas marrones son
  numerosas.
• La FIM se extiende por debajo del limite del
  Deuterio hasta 8Mjupiter
• El proceso de formacion del cumulo no es sensible
  a reacciones nucleares.

61
Una enana T en ?Orionis !
Zapatero Osorio et al. 2002

• Mini-survey en I,J,H de 55 min2 hasta J21 con
  Keck/LRIS y WHT/Ingrid.
• SOri70, J20.3, I-J4.8,J-H-0.14
• Primera enana T de edad y masa conocidas?
  Probabilidad de ser del campo lt20.
• Posicion en el diagrama H-R da M3 Mjup.

62
KeckII/NIRSPEC, R1500, Martin Zapatero Osorio
2003, ApJ Texp 1.5 horas
KI
Mejor ajuste Teff 1100 (200/-100) K
log g 3.5 0.5
SOri 70 presenta lineas de KI a 1.25 mm,
indicando que es una enana T de baja gravedad. El
diagrama gravedad-temperatura es independiente de
la distancia y proporciona una masa de 3 Mjup
para SOri70, consistente con su posicion en el
diagrama H-R.
63
Un nuevo tipo de planeta

• Hasta ahora todos los planetas encontrados
  orbitaban estrellas.
• SOri70 esta a 180000 AU de la estrella ?Orionis.
  
• La separacion tipica de los miembros es 50,000
  AU.
• SOri70 no esta ligado a ningun planeta en
  particular, sino que es miembro del cumulo.

64
Optica Adaptativa
Babcock 1953, PASP, 65, 229

• Espejo adaptativo cuya forma es controlada por un
  sensor de frente de onda.
• La placa tip-tilt elimina los movimientos
  globales de la imagen.

65
Un candidato enana marron binario descubierto
con OA
Forrest et al. 1988, ApJ, 330, L119 Martin et
al. 2000, ApJ, 529, L37

• FWHM0.034 a 1.6 ?
• Usando el sistema de OA del Keck (349 elementos
  actuadores en el espejo deformable), descubrimos
  que Gl569B es doble, con una separacion de solo
  0.1, lo cual corresponde a un semi-eje mayor de
  1 AU para una distancia de 9.8 parsec.

66
Parametros orbitales
Lane et al. 2001, ApJ, 560, 390 Zapatero Osorio
et al. 2004, ApJ

• P876 /- 9 dias
• E0.32 /- 0.01
• a0.90 /- 0.01
• i34 /- 2
• Mtot/Msol 0.125 /- 0.005

67
Una enana marron doble alrededor de una estrella

• Primaria HR5534,G2V,V5.9, Rotacion P7.8 days,
  actividad cromosferica intensa, probable miembro
  del grupo Ursa Major, edad300 Ma
• Enanas marrones descubiertas con Hokupaa
  OA/Gemini, separacion 2.6, contraste de 8
  magnitudes en H (1.6 microns). Potter et al.
  (2002, ApJ).

68
Espectroscopia de HR5534B y C

• Keck/OA NIRSPEC permitio obtener espectroscopia
  de cada enana marron con R2000 (separacion 0.13
  o 2.3 AU) y determinar su tipo espectral L3.
• Masas probables 40 MJupiter.

69
OA con coronografia

• El instrumento NICI para Gemini/Sur combina la
  alta resolucion espacial que da la OA con alto
  contraste usando coronografia y un doble brazo
  para substraccion de imagenes.

70
Astrometria

• Metodo clasico cuya importancia probablemente
  vaya en aumento.
• Se basa en el principio del movimiento de una
  estrella en el plano del cielo debido a la accion
  gravitacional de un planeta.
• Ae1000 Mpap/MeD donde Ae es la amplitud del
  movimiento estelar en microsegundos de arco, Mp
  la masa del planeta en unidades jovianas, ap el
  semieje mayor en UA, Me la masa estelar y D la
  distancia a la estrella.

71
Movimiento astrometrico del Sol

• Debido a la presencia de los planetas, el Sol se
  mueve en el plano del cielo.
• A una distancia de 10 pc un observador veria
  Asol500 microsegundos de arco, causado
  mayormente por Jupiter y Urano.

72
Deteccion de exotierras

• Asol causada por la tierra a 10 pc es 0.3
  micro-segundos de arco.
• En el caso de una enana marron de 0.06 masas
  solares a 5 pc, la señal se amplifica en un
  factor 33, o sea 10 micro-segundos de arco.
• La Space Interferometry Mission de la NASA,
  cuya fecha prevista de lanzamiento es en el 2009,
  tiene como objetivo llegar a precisiones de 1
  micro-segundo de arco.

73
Dopplermetria

• La velocidad radial de una estrella cambia por
  efecto de un planeta debido al efecto Doppler.
• En m/s, la amplitud del cambio en velocidad
  radial debido a la influencia del planeta es
  V30Mpsini/(apMe)1/2

74
Estadisticas Globales

• El catalogo mas completo de exoplanetas se
  encuentra en la enciclopedia electronica de Jean
  Schneider (www.obspm.fr/planets).
• El metodo de velocidad radial ha encontrado hasta
  hoy 120 planetas en 105 sistemas planetarios (13
  sistemas con planetas multiples).
• Los periodos orbitales estan entre 2.5 dias y
  2902 dias. Las masas estan entre 0.12 y 17 veces
  la masa de Jupiter.

75
Diagrama de sensibilidad

• Las busquedas de velocidad radial actuales son
  sensibles a planetas gigantes cerca de las
  estrellas.
• Las busquedas astrometricas planificadas con Keck
  y SIM son mas sensibles a planetas teluricos a
  distancias gt1 UA.

76
El desierto de enanas marrones

• El metodo de velocidad radial ha dado muy pocas
  enanas marrones, a pesar de ser mas sensible a
  ellas que a los planetas.
• Baja frecuencia de enanas marrones en torno a
  estrellas para separaciones lt 5 UA.

77
Relacion Mp-Periodo
Udry, Mayor, Santos 2003, AA, 407, 369

• No se encuentran planetas mas masivos que
  Mpsini2 MJup para periodos Plt 100 dias.
• La maxima masa de los planetas detectados aumenta
  con la distancia a la estrella central.
• No se encuentran planetas menos masivos que 0.75
  Mjup para Pgt100 dias.

78
Modelos de emigracion
Trilling, Lunine, Benz 2002, AA, 394, 241

• Cuando la masa de un planeta es similar a la del
  disco protoplanetario, la inercia del planeta
  ralentiza la evolucion orbital.
• Los planetas mas masivos tardan mas tiempo en
  abrir un claro en el disco.

79
Evolucion de la emigracion
Armitage et al. 2002, MNRAS, 334, 248

• 1D, evolucion acoplada de discos y enanas
  marrones o planetas.
• Las enanas marrones emigran rapido porque se
  forman antes, cuando el disco es muy masivo.
• Tests observacionales
• No desierto de enanas marrones en enanas M ni en
  estrellas muy jovenes.
• Desierto de dMs en estrellas A.

80
Distribucion de excentricidades respecto a
periodos.

• La mayoria de los exoplanetas descubiertos tienen
  orbitas excentricas, en contraste con los
  planetas del sistema solar.
• Los planetas de muy corto periodo han
  circularizado sus orbitas por efectos de marea.

81
Distribucion de metalicidades
Santos, Israelian y Mayor 2004, AA, 415, 1153

• Las estrellas con planetas gigantes detectados
  con velocidad radial presentan una abundancia
  fotosferica de Fe mas alta que las estrellas sin
  planetas.
• La frecuencia de planetas aumenta en estrellas
  con abundancia de Fe mas alta.

82
Interpretacion del exceso de Fe

• Una posible interpretacion es la ingestion de
  planetas teluricos por parte de la estrella.
• Se esperaria una correlacion entre la masa de la
  zona convectiva y la abundancia de Fe que no se
  observa.

83
Multiples planetas en torno a Upsilon Andromedae

• El ajuste a la curva de velocidad radial con un
  solo planeta es pobre.
• El ajuste es muy bueno con tres planetas con
  masas 0.69, 1.19 y 3.75 MJupiter, eccentricidades
  0.012, 0.28 y 0.29, y semiejes mayores 0.059,
  0.829 y 2.53 UA.

84
Metodo de ocultaciones

• Ilustracion esquematica de la curva de luz de un
  planeta ocultando a su estrella.
• Las cantidades medibles son lduracion del
  transito, dprofundidad, wduracion del ingreso y
  egreso, y ccurvatura central. Estas cantidades
  determinan el cociente de radios, la inclinacion
  y el oscurecimiento al limbo.

85
Probabilidad de ocultaciones

• La probabilidad de que se produzcan transitos es
  P100de/D, donde dediametro estelar, Ddiametro
  de la trayectoria del planeta en torno a la
  estrella.

86
Probabilidad de transitos en el sistema solar

• Tomando el diametro del Sol como 0.0093 AU, la
  probabilidad de detectar una ocultacion producida
  por la Tierra es 0.47 y la probabilidad de
  detectar Jupiter es solo 0.089.
• En la practica la probabilidad se reduce 0.89
  para eliminar los transitos por los bordes.

87
Profundidad y duracion de transitos

• T13de(r/Me)1/2
• ?L/L(dp/de)2
• Una ocultacion del Sol por la Tierra tiene solo
  una profundidad de 0.0084 y una duracion de 13
  horas, mientras que Jupiter da una profundidad de
  1 y una duracion de 30 horas.

88
Primer planeta eclipsante
Charbonneau et al. 2001, ApJ, 552, 699

• HD209458b con P3.52 dias, Mp0.69/-0.05 MJup,
  a0.047 UA, Rp1.35/-0.06 RJup, Re1.15/-0.05
  Rsol, i86.6/-0.14 grados, duracion184.25
  minutos, amplitud1.5.

89
Busqueda de satelites

• Puede haber satelites dentro del radio de la
  esfera de Hill RHr(Mp/3Me)1/3
• Para HD249458b este radio son 5.9 RJup y los
  eclipses de planetas pueden producirse 49 minutos
  antes o despues de la ocultacion principal.
• No hay satelites mayores que 1.5 radios
  terrestres.

90
Deteccion de la atmosfera de HD249458b (Osiris)
Vidal-Madjar et al. 2004, ApJ, 604, L69

• Usando HST/STIS se han detectado absorciones de
  lineas UV de HI,OI, y CII pero no SiIV durante
  cuatro eclipses.
• Modelo Blow-off sugiere que la atmosfera del
  planeta se esta evaporando.

91
Busqueda de ocultaciones en 47 Tucanae
Gilliland et al. 2000, ApJ, 545, L47

• HST/WFPC2 observo 34.000 estrellas secuencia
  principal en el cumulo globular 47 Tuc.
• Resultado negativo, implica frecuencia de
  planetas 10 veces menor que en la vecindad solar.
  
• Efecto de Fe/H -0.7 ?

92
Primer planeta detectado por ocultaciones
Konacki et al. 2003, ApJ, 597, 1076

• El Optical Gravitational Lensing Experiment ha
  descubierto 137 candidatos desde el 2001 al 2003.
  
• OGLE-TR-56 es el primero confirmado por su curva
  de velocidad radial. Mp0.9/-0.3 MJup.
  R1.30/-0.15 RJup. P1.212 dias.

93
Surveys actuales y futuros

• pokey.arc.nasa.gov/vulcan/
• star-www.st-and.ac.uk/kdh1/wasp/wasp.html
• www.hao.ucar.edu/public/research/stare/stare.html
• www.astrsp-mrs.fr/projets/corot/
• www.kepler.arc.nasa.gov

94
Microlentilla gravitacional

• Un campo gravitacional actua como una lente.
• Cuando la masa de la lente no es suficiente para
  producir imagenes separadas, se produce un simple
  aumento del brillo.
• La mayoria de las lentes seran enanas F,G,K,M de
  la secuencia principal.

95
Efecto de un planeta

• Un planeta produce un efecto lente que se
  superpone al de su estrella, por lo cual puede
  ser facilmente reconocido.
• La duracion de la perturbacion planetaria es
  tipicamente 1dia(Mp/MJup)1/2

96
Experimento PLANET
Gaudi et al. 2002 ApJ, 566, 463

• Seguimiento de 43 eventos hacia el bulbo de la
  galaxia sin exito.
• Menos del 45 de las estrellas M del bulbo tienen
  planetas con masas Jupiter entre 1 y 5 UA.

97
TPF y Darwin

• ast.star.rl.ac.uk/darwin/
• tpf.jpl.nasa.gov
• Objetivo alcanzar el santo grial de la deteccion
  espectroscopica de un analogo de la Tierra.

98
Ecuacion de Drake (1961)