Detecting extrasolar planets using IFS-based simultaneous differential imaging [Elektronische Ressource] / presented by Alessandro Berton

DissertationsubmittedtotheCombinedFacultiesfortheNaturalSciencesandforMathematicsoftheRuperto-CarolaUniversityofHeidelberg,GermanyforthedegreeofDoctorofNaturalSciencespresentedbyDiplom-PhysicistAlessandroBertonborninCastelfrancoVeneto,ItalythOralexamination: December13 2006DetectingExtrasolarPlanetsusingIFS-basedSimultaneousDifferentialImagingReferees: Prof.Dr.ThomasHenningProf.Dr.ReinhardMundtZusammenfassungBeobachtungen extrasolarer Planeten mit Integral Field Spectroscopy (IFS), in Verbindung mitextremeradaptivenOptikundderSimultaneousDifferentialImaging(SDI)Methode,sind bestensgeeignet, um Planeten direkt zu detektieren und zu charakterisieren; Sie verbessern das detek-tierte Signal des Planeten, wa¨hrend sie gleichzeitig den Einfluß des Sternenlichts und wichtigerRauschquellen,wiez.B.Speckles,reduzieren.UmdieWirksamkeiteinersolchenMethodezuunter-suchen, wurdeein Simulationsprogramm entwickelt, dasdie Leistungfa¨higkeit derIFS-SDI Meth-ode fu¨r verschiedene Typen von extrasolaren Planeten und Teleskopen testet. Hierzu wurdenverschiedeneatmospha¨rischeund instrumentelle Rauschquellen modelliert. DasangewandteVer-fahrenfu¨rdieSimulationderIFSBeobachtungenwirdimFolgendendetailliertdargestellt.
Publié le : lundi 1 janvier 2007
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Dissertation
submittedtothe
CombinedFacultiesfortheNaturalSciencesandforMathematics
oftheRuperto-CarolaUniversityofHeidelberg,Germany
forthedegreeof
DoctorofNaturalSciences
presentedby
Diplom-PhysicistAlessandroBerton
borninCastelfrancoVeneto,Italy
thOralexamination: December13 2006DetectingExtrasolarPlanets
usingIFS-based
SimultaneousDifferentialImaging
Referees: Prof.Dr.ThomasHenning
Prof.Dr.ReinhardMundtZusammenfassung
Beobachtungen extrasolarer Planeten mit Integral Field Spectroscopy (IFS), in Verbindung mit
extremeradaptivenOptikundderSimultaneousDifferentialImaging(SDI)Methode,sind bestens
geeignet, um Planeten direkt zu detektieren und zu charakterisieren; Sie verbessern das detek-
tierte Signal des Planeten, wa¨hrend sie gleichzeitig den Einfluß des Sternenlichts und wichtiger
Rauschquellen,wiez.B.Speckles,reduzieren.UmdieWirksamkeiteinersolchenMethodezuunter-
suchen, wurdeein Simulationsprogramm entwickelt, dasdie Leistungfa¨higkeit derIFS-SDI Meth-
ode fu¨r verschiedene Typen von extrasolaren Planeten und Teleskopen testet. Hierzu wurden
verschiedeneatmospha¨rischeund instrumentelle Rauschquellen modelliert. DasangewandteVer-
fahrenfu¨rdieSimulationderIFSBeobachtungenwirdimFolgendendetailliertdargestellt. Speziell
wird erla¨utert wie Abscha¨tzungen fu¨r Speckle-Rauschen, Korrekturen der adaptiven Optik und
spezielle instrumentelle Eigenschaften abgeleitet wurden, und wie die Effizienz der SDI Methode
zurVerbesserungdesSignal-zu-RauschenVerha¨ltnissesbeiderPlanetensuchegetestetwurde. Die
ersten Ergebnisse der Simulationen zeigen, daß zahlreiche Detektionen extrasolarer Planeten in
der Tat zu erwarten sind, selbst wenn man bestehende 8m-Teleskope mit wenigen Stunden Be-
lichtungszeit nutzt. In einer weiteren Analyse wird abgescha¨tzt, welche Auswirkung ein extrem
grosserTeleskopdurchmesseraufdieDetektionvonextrasolarenPlanetenmitIFS-SDIhat.
Abstract
Observations of extrasolar planets using Integral Field Spectroscopy (IFS), if coupled with an
extremeAdaptiveOpticssystemandanalyzedwithaSimultaneousDifferentialImagingtechnique
(SDI), are a powerful tool to detect and characterize planets directly; they enhance the signal of
the planet and, at the same time, reduces the impact of stellar light and consequently important
noise sources like speckles. In order to verify the efficiency of such a technique, we developed a
simulation code able to test the capabilities of this IFS-SDI technique for differentkinds of planets
andtelescopes,modellingtheatmosphericandinstrumentalnoisesources. Theprocedureadopted
to simulate IFS observations is presented here in detail, explaining in particular how we obtain
estimatesofthespecklenoise,AdaptiveOpticscorrections,specificinstrumentalfeatures,andhow
wetesttheefficiencyoftheSDItechniquetoincreasethesignal-to-noiseratiooftheplanetdetection.
Thefirstresultsobtainedbythesimulationsshowthatmanysignificantextrasolarplanetdetections
are indeed possible using the present 8m-class telescopes within a few hours of exposure time.
Furthermore, we provide here an estimation on the impact of extremely large telescope diameters
onthedetectionofplanetswithIFS-SDI.Contents
Introduction 5
1 Generalpropertiesofverylowmasscompanions 7
1.1 DefinitionofBrownDwarf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.2 Definitionofplanet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.2.1 Youngandwarmplanets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.2.2 Oldandcoldplanets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2 Detectionofextrasolarplanets 15
2.1 Radialvelocitymeasurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.2 Astrometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.3 Transits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.4 GravitationalMicrolenses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.5 Periodicresidualsinpulsartiming . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.6 OtherindirectmethodswithFuturePotential . . . . . . . . . . . . . . 22
3 DirectObservation 25
3.1 Fromspace: Problems andadvantages . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.2 Fromtheground . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.2.1 TheproblemofSpeckleNoise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.2.2 TechniquesforreductionofSpeckleNoise: AO,SDI,etc. . . . 33
3.2.3 Othermethodsfordirectdetectionofplanetsfromtheground 35
3.3 DetectionusingIntegralFieldSpectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . 37
4 IFS-basedSimultaneousDifferentialImaging(IFS-SDI) 41
4.1 Instrumentalspecifications forIFS-SDI . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4.2 MainissuesinIFS-SDIdetectiontechnique . . . . . . . . . . . . . . . 44
4.2.1 Impactofnotuniformilluminationofthelenses . . . . . . . . 44
4.2.2 Masks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
12 CONTENTS
4.2.3 Specklechromatismandundersampling . . . . . . . . . . . . 45
4.3 CHEOPSandSPHERE:ExamplesofIFS-SDIinstruments . . . . . . . 47
4.3.1 SPHERE-IFS:generaldescription . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.3.2 OpticaldesignsforSPHERE-IFS . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4.4 Selectionoftargets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.4.1 Selectioncriteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.4.2 DetectionProbability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
4.4.3 MonteCarlosimulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
5 Simulationcode: goalsandmainideas 63
5.1 Importanceofsimulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
5.2 Introduction tothecode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
5.2.1 Inputparameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
5.2.2 Expectedresults -Outputs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
5.2.3 MaingoalsoftheCSPcode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
5.3 Thecodeindetail . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
5.3.1 SimulationofatmosphericturbulenceandAOcorrection . . . 69
5.3.2 CreationofthePSFandthespecklepatterns . . . . . . . . . . 70
5.3.3 TheIntegralFieldUnitandthedisperser . . . . . . . . . . . . 72
5.4 Analysisofresults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
6 SimulationsofobservationsatVLT 77
6.1 Introduction totheVLTsimulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
6.2 ResultsforCHEOPSphaseA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
6.2.1 Notesontheflatfielderrorsandthethermalbackground . . 83
6.2.2 Differentseeingconditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
6.2.3 Estimation offalsealarmfrequency . . . . . . . . . . . . . . . 88
6.2.4 Factorofreduction ofSpeckleNoise . . . . . . . . . . . . . . . 89
6.2.5 Combinationofmultipleimages . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
6.2.6 ConclusionfromCHEOPSsimulations . . . . . . . . . . . . . 93
6.2.7 Limitations oftheCHEOPSsimulations . . . . . . . . . . . . . 96
6.3 TheHYPERTIGERsimulationsforSPHERE . . . . . . . . . . . . . . . 97
6.3.1 Detailedsimulation of TIGER:the non-uniform illumination
oflenses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
6.3.2 Detailed simulation of TIGER: the speckle chromatism and
undersampling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101CONTENTS 3
6.3.3 DetailedsimulationsofHYPERTIGER . . . . . . . . . . . . . . 103
7 SimulationsofobservationsatanExtremelyLargeTelescope 107
7.1 SimulationsofIFSonanELT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
7.1.1 Detectingplanetswithsegmentedmirrors . . . . . . . . . . . 108
7.2 A100mtelescope: OverWhelminglyLargetelescopeOWL . . . . . . 109
7.3 A30mtelescope: theTMTThirtyMeterTelescope . . . . . . . . . . . 111
7.4 A21mtelescope: GiantMagellanTelescopeGMT . . . . . . . . . . . 111
7.5 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
Conclusion 119
A TheCSSCheopsSimulationSpreadsheet 121
References 1234 CONTENTS

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