Universitätsbibliothek Wien

Circumstellar habitable zones in binary star systems

Eggl, Siegfried (2013) Circumstellar habitable zones in binary star systems.
Dissertation, University of Vienna. Fakultät für Geowissenschaften, Geographie und Astronomie
BetreuerIn: Dvorak, Rudolf
Gesperrt bis: 9 April 2015

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URN: urn:nbn:at:at-ubw:1-29936.46743.649163-2

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Abstract in English

This thesis contains an analytic framework to determine circumstellar habitable zones in binary star systems. The influence of a second star on a terrestrial planet's capacity to host liquid water on its surface is studied in detail. Assuming that the telluric planet orbits one component of a stellar binary (S-Type system) where all three bodies share the same orbital plane, it can be shown that long term habitability in such environments is possible in spite of the strong gravitational forcing and the additional stellar radiation. Thereby, the gravitationally induced changes of the planet’s eccentricity constitute the dominating effect that determines the orbital limits for permanent habitability. For planets on non-circular orbits, the well known habitable zone boundaries by Kasting et al. (1993), Underwood et al. (2003), Selsis et al. (2007) and recently Kopparapu et al. (2013) used in most current studies are only valid in an average sense. In order to take the considerable variability of a planet’s orbit in a binary star system into account, a new methodology to classify planetary habitability had to be developed. Therefore, the concepts of a permanently habitable zones (PHZ), extended habitable zones (EHZ) and average habitable zones (AHZ) were introduced. The PHZ denotes circumstellar regions where planets will remain within habitable insolation limits regardless of the dynamical evolution of their orbits. The EHZ corresponds to areas in which the planet will leave the habitable zone from time to time, yet, insolation conditions permit habitability along most of the planet’s track. Planets that orbit their stars within AHZs may spend a substantial amount of time outside habitable regions as long as the average insolation still permits liquid water on the planet’s surface. This classification is not only universally applicable to planets on eccentric orbits, it also retains information on the variability of planetary insolation conditions while providing estimates that are valid up to geological and even stellar evolutionary timescales, if the planet's atmospheric conditions are known. It was found that the analytic methods developed in this thesis are applicable to binary star systems without restrictions to planetary masses or climate models as long as corresponding effective insolation values (Seff) are available. Strong perturbations near resonances, regions of orbital instability, other gravitationally active bodies, or drastic changes in the planet’s atmospheric behavior, such as capture into tidal lock states can, however, reduce the quality of the presented estimates. Applying the new classification scheme to binary stars in the solar neighborhood we could show that a large percentage of the investigated systems are capable of hosting habitable worlds. Further results do not only suggest that terrestrial planets can be habitable in nearby binary star systems, they might even be easier to spot than Earth-twins orbiting single stars. Gravitational interactions with the double star tend to increase planetary radial velocity signatures, astrometric signal amplitudes and transit probabilities, thus improving the chances for a planet’s detection. The discovery of an Earth-sized planet around alpha Centauri B (Dumusque et al. 2012) has shown that a confirmation of the existence of habitable worlds in binary stars is on the brink of technical feasibility. Given the large number of stellar multiple systems, an efficient identification of potentially interesting systems is required to optimize target selection. The methodology proposed in this thesis can serve as a quick and reliable tool to determine binary star systems capable of sustaining habitable planets.

Schlagwörter in Englisch

exoplanets / binary stars / habitable zones / celestial mechanics / perturbation theory / astronomy / astrophysics

Abstract in German

Die vorliegende Dissertation hatte die Entwicklung eines analytischen Verfahrens zum Ziel, das es ermöglicht die Bewohnbarkeit erdähnlicher Planeten auf zirkumstellaren Bahnen in Binärsternsystemen effizient zu untersuchen und zu kategorisieren. In diesem Rahmen konnte gezeigt werden, dass die Existenz habitabler Planeten in derartigen Konfigurationen trotz starker, gravitativer Wechselwirkungen sowie der zusätzlichen Einstrahlung durch den zweiten Stern möglich ist. Die in gängiger Literatur meist verwendeten Grenzen für Habitable Zonen nach Kasting et al. (1993), Kopparapu et al. (2013), Selsis et al. (2007) und Underwood et al. (2003) bleiben besten Falls im Mittel gültig. Tatsächlich bedurfte es einer Neukategorisierung habitabler Zonen bei der darauf zu achten war, dass der Planet trotz gravitationsbedingter Bahnänderungen, immer, oder zumindest zu einem großen Prozentsatz, innerhalb zumutbarer Einstrahlungsniveaus verbleibt. Die entsprechenden Parameterbereiche wurden in Zonen permanenter Habitabilität (PHZ) und erweiterter Habitabilität (EHZ) unterteilt. Geht man von zeitgemittelten Einstrahlungslimits aus (AHZ) so werden die klassischen Grenzen nach Kasting reproduziert. Eine Anwendung dieses Klassifikationsschemas auf nahe Doppelsternsysteme ergab, dass ein hoher Prozentsatz habitable Planeten um zumindest eine Doppelsternkomponente zulässt. Weiters war es möglich durch analytisch-dynamische Abschätzungen zu zeigen, dass erdähnliche, bewohnbare Planeten in Doppelsternen leichter auffindbar sein können als deren Pendants um Einzelsterne. Diese Effekte folgen aus der gravitativen Einwirkung des zweiten Sterns auf die vom Planeten induzierte Radialgeschwindigkeit, die astrometrische Signalstärke, sowie die planetare Transitwahrscheinlichkeit. Das hier präsentierte analytische Verfahren ist - unabhängig von der Masse des Planeten - auf Binärstern-Planetensysteme mit geringer gegenseitiger Bahnneigung anwendbar, solange verlässliche Effektivstrahlungswerte (Seff) für die jeweiligen planetaren Atmosphären verfügbar sind. Befinden sich weitere Planeten im Doppelsternsystem, so muss eine gesonderte Überprüfung die Gültigkeit der präsentierten Methodik belegen. Die Entdeckung eines erdähnlichen Planeten in unserem Nachbar-Doppelstern alpha Centauri AB (Dumusque et al. 2012) zeigt, dass die Erforschung habitabler Planeten in Binärsternsystemen ein zukunftsträchtiges Gebiet darstellt. Bedenkt man die enorme Anzahl an Doppelsternsystemen in der galaktischen Umgebung, so ist es nicht unwahrscheinlich, dass erdähnliche, bewohnbare Planeten in solchen Konfigurationen gefunden werden. Die in dieser Arbeit entwickelten Methoden zur Auffindung viel versprechender Systeme könnten wesentlich zu derartigen Entdeckungen beitragen.

Schlagwörter in Deutsch

Extrasolare Planeten / Doppelsterne / Habitable Zone / Himmelsmechanik / Störungsrechnung / Astronomie / Astrophysik

Item Type: Hochschulschrift (Dissertation)
Author: Eggl, Siegfried
Title: Circumstellar habitable zones in binary star systems
Umfangsangabe: 140 S. : Ill., graph. Darst.
Institution: University of Vienna
Faculty: Fakultät für Geowissenschaften, Geographie und Astronomie
Publication year: 2013
Language: eng ... Englisch
Supervisor: Dvorak, Rudolf
Assessor: Erdi, Balint
2. Assessor: Schneider, Jean
Classification: 39 Astronomie > 39.23 Himmelsmechanik, Astrodynamik
39 Astronomie > 39.53 Planeten
39 Astronomie > 39.20 Theoretische Astronomie: Allgemeines
39 Astronomie > 39.22 Astrophysik
30 Naturwissenschaften allgemein > 30.20 Nichtlineare Dynamik
AC Number: AC10882777
Item ID: 28760
(Das PDF-Layout ist ident mit der Druckausgabe der Hochschulschrift.)

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