TESIS
DE ROI ALONSO SOBRINO
"DETECTION AND CHARACTERIZATION OF EXOPLANETS WITH THE TRANSIT METHOD"
"DETECCIÓN Y
CARACTERIZACIÓN DE EXOPLANETAS MEDIANTE EL MÉTODO DE LOS
TRÁNSITOS"
UNIVERSIDAD DE LA LAGUNA, 16 ENERO 2006
Departamento de Astrofísica / Instituto de Astrofísica de
Canarias
Spain
Dirigida por:
Dr. Juan Antonio Belmonte Avilés y Dr. Timothy M. Brown
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3.- The Follow-up Techniques: pdf (28 Mb), gzipped
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4.- Results From a Field in the Constellation Lyra: pdf (12 Mb), gzipped
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5.- TrES-1: A Transiting Planet: pdf (552 Kb), gzipped
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6.- Dreaming of the Future: The 2004 Venus Transit: pdf (340 Kb), gzipped ps (393 Kb)
7.- Conclusions and Future Work: pdf (61 Kb), gzipped
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A.- Delta Scuti Stars With the STARE Data: pdf (1.0 Mb), gzipped
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B.- STARE Observations for COROT: pdf (456 Kb), gzipped
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ABSTRACT
An exoplanetary transit occurs when it crosses the line of sight
between the observer and the star around which it is orbiting. The flux
decrease that it provokes allows us to find out certain orbital
parameters and some physical characteristics of the planet that are
inaccessible through other techniques. The diversity of the performed
studies and the acquired knowledge after the detection of HD 209458b's
transits motivated the use of this technique as a tool for exoplanet
discoveries.
In this thesis, we describe the STARE instrument (a node placed at the
Observatorio del Teide that forms part of the TrES network, which is
comprised of another two similar instruments at Lowell Observatory,
Arizona, and Mount Palomar, California, both in the USA) devoted to the
search for exoplanets using the transit method. It consists of a small
Schmidt camera (10 cm diameter) that performs differential photometry
of wide stellar fields (6.1ºx6.1º). Each of the campaigns
lasts several hundreds of hours. We fully describe the analysis tools
used to achieve the required precision to detect giant exoplanetary
transits (it is necessary to reach a precision of less than 1% in
thousands of stars), as well as the noise sources that limit this
precision.
There are several stellar configurations that mimic the signal produced
by a transiting exoplanet, and follow-up techniques that unveil these
false positives are required. We perform a detailed study of these
techniques, which start with a careful analysis of the original light
curve, without the need for further observations, and end in the
precise measurements of the star's radial velocity, the last step
necessary for the confirmation of an exoplanet discovery. The fast rate
of false positive detections in projects such as TrES have led us to
propose an exoplanet confirmation scheme, ordered according to the
efforts needed to perform each step.
These follow-up techniques are applied to 16 exoplanet candidates
obtained in a TrES observing campaign, in a field of the constellation
Lyra. The detailed analysis of the original light curves allow us to
discard 15 of the 16 candidates, while the diverse follow-up
observations performed reveal the different stellar configurations
causing similar photometric signals as those produced by an exoplanet.
Six of these candidates turned out to be binary stellar systems and
seven of these triple systems (either physically bound or two bound
stars and a third star in the line of sight). For another 2 candidates
it was not possible to determine the configuration.
The single candidate that passed all the required tests, TrES-1, is the
first exoplanet discovered with the transit method around a relatively
bright star. TrES-1 orbits a K0V star, with a period of
3.030065±0.000008 d; it has a mass of 0.76±0.05 MJ,
a radius of 1.04+0.08-0.05 RJ, an
almost circular orbit, with an inclination of i=89.5+0.5-0.3
degrees, and an effective temperature of Teff=1060±50
K. The host star has a metallicity of [Fe/H]=0.00±0.09, a Teff=5250±75
K, a surface gravity of logg=4.6±0.2,
and does not show Lithium remains, while there are clues for stellar
activity. With these parameters, TrES-1 is currently the second better
known exoplanet, after HD 209458b. Its infrared magnitude turned out to
be ideal for the use of the IRAC instrument on board the Spitzer
satellite, what allowed the detection of the secondary eclipse. This
detection served to estimate the planetary effective temperature and
its eccentricity, and it constitutes the first detection of thermal
emission from an exoplanet (together with the simultaneously announced
detection of thermal emission at 24 micron of HD 209458b, Deming et al. 2005).
Finally, we present a preliminary analysis of observations of the June
2004 Venus transit, at the VTT (Vacuum Tower Telescope) solar telescope
of the Observatorio del Teide. In these observations, we detect 12CO2
and 13CO2 of the Venusian mesosphere with the
transmission spectroscopy method. This method has already been
successfully used to study the atmosphere of HD 209458b, and in the
following years it will allow the study of different components of the
exoplanetarian atmospheres.
RESUMEN
Un tránsito de un exoplaneta ocurre cuando éste se
interpone entre el observador y la estrella en torno a la cual orbita.
La disminución en el flujo de la estrella que provoca nos
permite conocer ciertos parámetros orbitales y algunas
características físicas del planeta que son inaccesibles
mediante otras técnicas. La diversidad de estudios realizados y
de conocimiento adquirido tras la detección de los
tránsitos de HD 209458b motivó el empleo de esta
técnica como herramienta para el descubrimiento de exoplanetas.
En esta tesis, describimos el instrumento STARE (nodo situado en el
Observatorio del Teide de la red TrES, que dispone de otros dos
instrumentos similares en los observatorios de Lowell, Arizona, y Mount
Palomar, California, ambos en EEUU) dedicado a la búsqueda de
exoplanetas mediante el método de tránsitos. Se trata de
una pequeña cámara Schmidt (10 cm de diámetro) que
realiza fotometría diferencial de amplios campos estelares
(6.1ºx6.1º), durante campañas de centenares de horas
de duración. Realizamos una completa descripción de las
herramientas de análisis utilizadas para alcanzar las
precisiones requeridas para detectar tránsitos de exoplanetas
gigantes (es necesario superar precisiones del 1 % en millares de
estrellas) así como de las fuentes de ruido que limitan esta
precisión.
Hay diversas configuraciones estelares que simulan las señales
producidas por un exoplaneta en tránsito, y se requieren
técnicas de seguimiento que permitan desenmascarar estas falsas
alarmas. Realizamos un estudio detallado de estas técnicas, que
van desde el análisis cuidadoso de la curva de luz original, sin
la necesidad de más observaciones, hasta medidas precisas de la
velocidad radial de la estrella, último paso necesario para la
confirmación del descubrimiento de un exoplaneta. El
rápido ritmo de detección de falsas alarmas en proyectos
como TrES nos lleva a proponer un protocolo de confirmación de
un exoplaneta, ordenado de acuerdo al esfuerzo requerido para realizar
cada uno de los pasos correspondientes.
Estas técnicas de seguimiento son aplicadas a 16 candidatos a
exoplanetas obtenidos en una campaña de observación de
TrES, en un campo en la constelación de Lyra. Los
análisis detallados de las curvas de luz originales nos permiten
descartar 15 de los 16 candidatos, mientras que las diversas
observaciones de seguimiento realizadas nos muestran las distintas
configuraciones estelares que causan señales fotométricas
similares a las producidas por un exoplaneta. De esta forma, 6
demostraron ser sistemas estelares binarios y 7 sistemas triples (bien
físicamente ligados, o bien dos estrellas ligadas y una situada
en la linea de visión). Para otros dos candidatos no fue posible
resolver la configuración.
El único candidato que superó todas las pruebas exigidas,
TrES-1, es el primer exoplaneta descubierto por el método de
tránsitos en torno a una estrella relativamente brillante.
TrES-1 orbita en torno a una estrella tipo K0V, con un periodo de
3.030065±0.000008 d, tiene una masa de 0.76±0.05 MJ,
un radio de 1.04+0.08-0.05 RJ, una
órbita básicamente circular, con una inclinación
de i=89.5+0.5-0.3 grados, y una temperatura
efectiva de Teff=1060±50 K. La estrella en torno a la
que orbita tiene una metalicidad de [Fe/H]=0.00±0.09, una Teff=5250±75
K, una gravedad superficial de logg=4.6±0.2,
y no muestra restos de Litio, mientras que sí que hay indicios
de actividad estelar. Con estos parámetros, TrES-1 es en la
actualidad el segundo exoplaneta mejor conocido, tras HD 209458b. Su
magnitud en el infrarrojo resultó ser idónea para la
utilización de IRAC a bordo del satélite Spitzer, lo que
permitió la detección del eclipse secundario. Esta
detección sirvió para estimar la temperatura efectiva del
planeta y su excentricidad, y constituye la primera detección de
emisión térmica procedente de un exoplaneta (Junto con la
detección anunciada simultáneamente de emisión
térmica en 24 micras de HD 209458b, Deming et al. 2005).
Finalmente, presentamos un análisis preliminar de unas
observaciones del tránsito de Venus en Junio de 2004 en el
telescopio solar VTT (Vacuum Tower Telescope) del Observatorio del
Teide, en las que se detectan 12CO2 y 13CO2
en la mesosfera de Venus por el método de espectroscopía
de transmisión. Este método ha sido aplicado con
éxito para estudiar la atmósfera de HD 209458b, y
permitirá en los próximos años estudiar diferentes
componentes de las atmósferas exoplanetarias.
© Roi Alonso Sobrino 2006
roi.alonso (at) iac (dot) es