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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-49308
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2010/4930/


Theoretical Studies on Brown Dwarfs and Extrasolar Planets

Theoretische Studien über Braune Zwerge und extrasolare Planeten

Heller, René

Originalveröffentlichung: (2010) Heller et al. (2010): http://adsabs.harvard.edu/abs/2010A&A...514A..22H; Barnes et al. (2009): http://arxiv.org/abs/0912.2095; Barnes et al. (2010): http://adsabs.harvard.edu/abs/2010LPICo1538.5595B; Heller et al. (2009): http://adsabs.harvard.edu/abs/2009A&A...508.1509H
pdf-Format:
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SWD-Schlagwörter: Planet , Stellarastronomie , Astrophysik , Finsternis , Planetensystem , Durchgang <Astronomie> , Enger Doppelstern , Bedeckung <Astronomie> , Astrono
Freie Schlagwörter (Deutsch): Braune Zwerge , substellare Körper , extrasolare Planeten , Evolution , Astrobiologie
Freie Schlagwörter (Englisch): extrasolar planets , brown dwarfs , evolution , celestial dynamics , astrobiology
Basisklassifikation: 42.22 , 39.53 , 39.40 , 39.22
Institut: Physik
DDC-Sachgruppe: Astronomie, Kartographie
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Wiedemann, Günter (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 24.08.2010
Erstellungsjahr: 2010
Publikationsdatum: 14.12.2010
Kurzfassung auf Englisch: With our human self-reflection we embody the fact that the Universe thinks about
itself. About 13.75 billion years after a Big Bang, dead matter became something
that is able to say "Je pense, donc je suis.", or "I think, therefore I am". For
several thousands of years, we are wondering what it means 'to be', what that
is which has being, where did it all come from and -- why. In quest of answers
to these questions, some dig into the shortest scales of matter, so they may
penetrate the power that holds the Universe together. Others study the forms of
life or explore the human brain, some believe in an omnipotence and some,
finally, use devices to look deep into the sky. About 20 years ago, these
stargazers -- astronomers, who used to name celestial objects in former times,
and astrophysicists, who study their physical qualities -- discovered the first
planet that orbits a distant star. Over the intervening years, the number of
such confirmations has increased to several hundreds. Moreover, scientists
discovered objects, which are neither stars nor planets, but have intermediate
masses. These 'brown dwarfs' constitute the connecting link between the two
regimes. And both, stars as well as planets, can only be understood
comprehensively in their context with brown dwarfs.

The mere number of these so-called extrasolar planets, or exoplanets, does
not tell us too much about our cosmological context. We want to study them. This
thesis aims at the gravitational interaction of stellar and substellar objects
and at the possibilities for their exploration. The picture of an isolated
planet that orbits its host star undeviatingly and forever is obsolete. Recent
discoveries have shown that the fate of planets in close orbits is determined by
star-planet interaction. And tidal effects turned out to play a key role. Even
more, the structure of young brown dwarfs essentially depends on the tidal
processes driven by close companions.

Part I of this book, with its Chaps. 2 to 4, gives an introduction to the basic
physics and to the objects we will deal with. In Part II, which makes up the
cumulative contingent of my publications, Chap. 5 is dedicated to the tidal
effects on brown dwarfs. This issue had not been considered before. Here, we
point out how tidal processes affect the energy budget of these substellar
objects and how they cause deviations from the standard evolution tracks of
isolated brown dwarfs. We apply different established tidal models to the case
of the currently only known eclipsing brown dwarf binary, and we identify their
differences as well as possibilities for their validation or falsification. In
the following, I address the impact of tidal effects on the habitability of
exoplanets. As we find, the concept of the so-called (circumstellar) 'habitable
zone' requires a revision in due consideration of tidal processes. Chapter
6 is devoted to the prediction of extrasolar planet transits and data analysis.
We present sky maps of the expectation values of transits as a projection on the
celestial plane. We also introduce a mathematical model, which allows for the
deduction of the planet's orbital eccentricity, orientation of periastron,
geometric albedo, its radius as a fraction of the stellar radius, its orbital
period, and the inclination of the orbital plane with respect to the observer's
line of sight. In Part III, I take the liberty to conclude, and in the appendix,
finally, I present a German popular science publication of my studies on
extrasolar transiting planets.
Kurzfassung auf Deutsch: Die menschliche Selbstreflexion macht uns zu einem Hort, an dem das Universum
ueber sich selbst nachdenkt. Nach ca. 13,75 Milliarden Jahren ist aus toter
Materie etwas entstanden, das "Je pense, donc je suis." sagt, oder "Ich denke,
also bin ich." Seit einigen tausend Jahren fragen sich Menschen, was das Sein
ist, woher alles Seiende kommt, wie es anfing und -- warum. Auf der Suche nach
Antworten auf diese Fragen schauen manche in die kleinsten Teilchen, um dort zu
finden, was die Welt im Innersten zusammenhaelt, andere studieren das Leben in
seinen unzaehligen Phaenotypen, diese und jene graben im menschlichen Gehirn,
wieder andere danken einer Allmacht und einige schliesslich schauen mit
Geraeten in den Himmel. Diesen Himmelsguckern -- solchen, die die Objekte am
Himmel beobachten und ihnen dereinst Namen gaben (Astronomen) und denen, die die
Vorgaenge zwischen und in diesen Koerpern studieren (Astrophysikern) -- ist
es vor ca. 20 Jahren das erste Mal gelungen, einen Planeten zu entdecken, der
einen entfernten Stern umrundet. Mittlerweile ist die Anzahl dieser seltsamen
Welten um andere Sterne gar auf mehrere hundert gestiegen. Darueber hinaus
wurden Objekte entdeckt, die weder Stern noch Planet sind und dennoch aehnliche
Massen haben. Diese "Braunen Zwerge" bilden das Bindeglied zwischen Sternen und
Planeten. Beide Regime koennen nur in ihrem Zusammenhang mit Braunen Zwergen
verstanden werden.

Die schiere Anzahl der sogenannten extrasolaren Planeten, kurz:
Exoplaneten,erzaehlt uns noch nicht allzuviel ueuber unseren kosmologischen
Zusammenhang. Wir wollen sie untersuchen. Mein Anliegen mit dieser Arbeit ist
es, einen Beitrag zum Verstaendnis stellarer und substellarer Wechselwirkungen
zu leisten und Moeglichkeiten ihrer Erkundung aufzuzeigen. Denn das Bild von
einem Planeten, der seinen Mutterstern auf ewig ungestoert umrundet, ist
obsolet. Die Entdeckungen der vergangenen Jahre haben gezeigt, dass das
Schicksal insbesondere der Planeten in engen Orbits von der Wechselwirkung mit
dem Zentralgestirn bestimmt wird. Einen wichtigen Einfluss stellt hier die
Gezeitenwechselwirkung zwischen Stern und Planet dar. Auch die Struktur Brauner
Zwerge in engen Orbits haengt vor allem fuer junge Objekte stark vom
gravitativen Einfluss ihrer Begleiter ab.

Teil I dieses Buches gibt mit seinen Kapiteln 2 bis 4 eine Einfuehrung in die
Grundlagen. In Teil II, der den kumulativen Anteil von mir bereits
veroeffentlichter Arbeiten ausmacht, widme ich Kap. 5 zunaechst den
Gezeitenwechselwirkungen zwischen Braunen Zwergen, die vorher noch nicht
Gegenstand veroeffentlichter Forschung waren. Wir zeigen auf, wie Gezeiten das
Energiebudget dieser substellaren Koerper beeinflussen und Abweichungen von der
Standardevolution im gravitativ ungestoerten Falle bewirken. Da die Prozesse
von Gezeitendissipation laengst nicht in einem befriedigenden Masse
verstanden sind, wenden wir hier verschiedene, etablierte Modelle an und zeigen
deren Unterschiede sowie Moeglichkeiten zur Validierung und Falsifikation auf.
Im weiteren Verlauf von Kap. 5 wende ich mich dem Einfluss von Gezeiten auf die
Bewohnbarkeit von Exoplaneten zu. Hier konnten wir finden, dass Gezeiten eine
grundlegende Revision des Konzepts der sogenannten "Habitablen Zone" verlangen.
In Kap. 6 stelle ich Studien vor, die Transits von Exoplaneten vor ihrem
Mutterstern behandeln. In diesen Arbeiten beschaeftigen wir uns mit der
Vorhersage von Transits sowie der Datenanalyse. Zum ersten Mal wurden hier
Karten erstellen, welche die Transitwahrscheinlichkeit von Exoplaneten an die
Himmelssphaere projizieren. Ausserdem stellen wir ein mathematisches Modell
vor, welches die Ableitung der Exzentrizitaet, der Orientierung des Periastrons,
der geometrischen Albedo eines Transitplaneten, seines Radius im Verhaeltnis
zum Radius des Sterns, seiner Orbitperiode und der orbitalen Inklination gegen
die Sichtlinie aus Beobachtungsdaten erlaubt. In Teil III erlaube ich mir,
Schluesse zu ziehen, waehrend der Anhang mit einer populaerwissenschaftlichen
Ausgabe meiner Studie an extrasolaren Transitplaneten aufwartet.

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