Precision radial velocity surveys for exoplanets [Elektronische Ressource] / put forward by Mathias Zechmeister

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• Astronomie

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• Publié par: ruprecht-karls-universitat_heidelberg
• Publié le: 01 janvier 2011
• Nombre de lectures: 8
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 17 Mo

Extrait

Dissertation
submittedtothe
CombinedFacultiesoftheNaturalSciencesandMathematics
oftheRuperto-Carola-UniversityofHeidelberg,Germany
forthedegreeof
DoctorofNaturalScience
Putforwardby
Diplom-PhysikerMathiasZechmeister
bornin:Wippra,Germany
ndOralExamination:2 February2011PrecisionRadialVelocitySurveys
forExoplanets
Referees: Prof.Dr.ThomasHenning
Prof.Dr.JoachimWambsganß1
Abstract
Sincethe90sastronomershavediscoveredaround500extrasolarplanets.Mostofthemhavebeenfound
with the radial velocity method. In this work we present our precision radial velocity measurements
for a sample of 40 M dwarfs and 30 solar-like stars. The data sets originate from four different instru-
ments (UVES, CES+LC, CES+VLC, and HARPS) and are investigated for indications of planets. We
perform several statistical tests for excess-variability, long-term trends, and periodicities. For the latter
purpose, we have developed further a commonly used period analysis tool, the so called Lomb-Scargle
periodogram.
Our radial velocity precision of a few m/s is approximately sufficient for the aspired goals, namely
the search for terrestrial planets in the habitable zones of M dwarfs and the search for Jupiter analogues
aroundsolar-likestars.Wedemonstratethiswithmassupperlimits.Ourdataanalysisdoesnotrevealany
new planet, while we can confirm the two known planets around the solar-like stars ι Hor and HR 506
as well as the long-term trend forε Ind A. Moreover, we were able to identify several binaries and one
browndwarf.OurresultsareinagreementwithestimatesforthefrequencyofJupiter-likeplanetswhich
isaround1%forMdwarfsand10%forsolar-likestars.
Zusammenfassung
Seitden90-zigerJahrenhabenAstronomenetwa500extrasolarePlanetenentdeckt.DiemeistenvonIh-
nenwurdenmitderRadialgeschwindigkeits-Methodegefunden.IndieserArbeitpräsentierenwirunsere
präzisen Radialgeschwindigkeitsmessungen für ein Sample von 40 M-Sternen und 30 sonnenähnlichen
Sternen. Die Datensätze stammen von vier verschieden Instrumenten (UVES, CES+LC, CES+VLC,
und HARPS) und werden auf Hinweise von Planeten untersucht. Dazu führen wir statistische Tests
zu Exzessvariabilitäten, Langzeittrends und Periodizitäten durch. Für letzteren Zweck, haben wir ein
häufiggenutztes Werkzeug für die Periodenanalyse, das sogenannte Lomb-Scargle Periodogramm, wei-
terentwickelt.
Unsere Radialgeschwindigkeitsgenaukeit von wenigen m/s ist annähernd ausreichend für die ange-
strebten Ziele, nämlich die Suche nach terrestrischen Planeten in der habitablen Zone von M-Sternen
und die Suche nach Jupiter-artigen Planeten um sonnenähnliche Sterne. Wir demonstrieren dies mit
oberenMassengrenzen.AusunsererDatenanalysegehtkeinneuerPlanethervor,währendwirdiebereits
bekannten Planeten für die sonnenähnlichen Sterne ι Hor und HR 506 sowie den Langzeittrend für
ε Ind A bestätigen können. Darüber hinaus konnten wir einige Doppelsterne und einen Braunen Zwerg
identfizieren. Unsere Ergebnisse stimmen mit den Erwartungen für die Häufigkeit von Jupiter-artigen
Planetenüberein,welcheetwa1%fürM-Sterneund10%fürsonnenähnlicheSterneist.2Contents
Abstract 1
1 Introduction 5
1.1 Methodsforexoplanetdetection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.1.1 Directimaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.1.2 Thetransitmethod . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.1.3 Astrometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.1.4 Gravitationalmicrolensing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.1.5 Othermethods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.2 Theradialvelocitymethod . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.2.1 Measuringpreciseradialvelocities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.2.2 Selfcalibrationwithagasabsorptioncell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.2.3 Simultaneouscalibrationwithemissionlamps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.2.4 Othertechniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.3 Outlineofthiswork . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2 ThegeneralisedLomb-Scargleperiodogram 15
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.2 ThegeneralisedLomb-Scargleperiodogram(GLS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.3 NormalisationandFalse-Alarmprobability(FAP) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.4 EquivalencesbetweentheGLSandSigSpec . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.5 ApplicationoftheGLStotheKeplerianperiodogram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.6 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.7 Accompanyingauxiliarycalculations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.7.1 DerivationofthegeneralisedLomb-Scargleperiodogram(GLS) . . . . . . . . . 27
2.7.2 VerificationofEq.( 2.19) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.8 CommentsontheGLSperiodogram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.8.1 ErrorestimationfortheGLSparameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.8.2 Apolargrid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.8.3 TheF-distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3 TheMdwarfsurveywithESOVLT+UVES 37
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.2 TargetsandObservations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.3 Dataanalysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.3.1 Secularacceleration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.3.2 Testsforvariabilityandtrends . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.3.3 Periodogramanalysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.3.4 Upperdetectionlimits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.3.5 CorrelationbetweenRVandHα index? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.4 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
34 CONTENTS
3.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.6 Accompanyingauxiliarycalculations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.6.1 Relationbetweenindexandequivalentwidth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.6.2 ResponseoftheGLSperiodogramwhenaddingasinewave . . . . . . . . . . . 55
3.7 AdditionalnoteregardingtheplanetdiscoveryforGJ433 . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
4 TheESOCESandHARPSsurvey 61
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.2 Thesample . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4.3 Instrumentsanddatareduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4.3.1 CES+LongCamera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4.3.2 CES+VeryLongCamera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4.3.3 HARPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
4.3.4 DetailsoftheRVcomputationfortheCES+VLCdata . . . . . . . . . . . . . . 67
4.3.5 CombiningtheLCandVLCdata . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4.3.6theCESandHARPSdata . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
4.4 Analysisoftheradialvelocities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
4.4.1 Excessvariability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
4.4.2 Long-termtrends . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
4.4.3 SearchforPeriodicitiesandKeplerianorbits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4.4.4 Orbitalsolutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
4.4.5 Testsontheresidualsofthecompanionhostingstars . . . . . . . . . . . . . . . 80
4.4.6 Detectionlimits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
4.5 SummaryandConclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
4.6 Plotsofallradialvelocitytimeseries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
4.7 AccompanyingTables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
4.8 Plotsofallperiodograms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
4.9 Plotsofalldetectionlimits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
5 SummarisingConclusions 103
5.1 Outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
5.1.1 PrecisionRVmeasurementsinthenear-infrared . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
5.1.2 Newcalibrationsources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
5.1.3 Stellarnoiseasthelimitingfactor? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
Bibliography 107
Acknowledgement 115Chapter1
Introduction
Discovering p