Searching for extra-solar planets with the transit method [Elektronische Ressource] / submitted by Johannes Koppenhoefer

Johannes Koppenhoefer

Sujets

• Astronomie

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• Publié par: ludwig-maximilians-universitat_munchen
• Publié le: 01 janvier 2009
• Nombre de lectures: 8
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 20 Mo

Extrait

SEARCHING FOR EXTRA-SOLAR PLANETS
WITH THE TRANSIT METHOD
Johannes Koppenho¨ferSEARCHING FOR EXTRA-SOLAR PLANETS
WITH THE TRANSIT METHOD
Dissertation
an der
Ludwig–Maximilians–Universita¨t (LMU) Mu¨nchen
Ph.D. Thesis
at the
Ludwig–Maximilians–University (LMU) Munich
submitted by
¨Johannes Koppenhofer
thborn on 10 August 1977 in Bretten
thMunich, March 27 2009st1 Evaluator: Priv. Doz. Dr. Roberto P. Saglia
nd2 Evaluator: Prof. Dr. Harald Lesch
ndDate of the oral exam: July 2 2009Contents
Contents vii
List of Figures xiii
List of Tables xv
Zusammenfassung xvii
1 Introduction 1
1.1 Definition: Planet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2 Planet Formation Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2.1 The core-accretion/gas-capture model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2.2 The disk instability model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.2.3 Orbital evolution of extra-solar planets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.3 The Search For Extra-Solar Planets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.3.1 Imaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.3.2 The microlensing method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.3.3 Timing methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.3.4 The radial velocity method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.3.5 The astrometric method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.3.6 The transit method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.4 Current Status of Extra-Solar Planet Searches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.5 Follow-up Observations of Transiting Extra-Solar Planet Candidates . . . . . . . . . 30
1.5.1 The Tingley-Sackett parameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
1.5.2 Ellipsoidal variations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
1.5.3 Low-precision spectroscopic follow-up observations . . . . . . . . . . . . . 33
1.5.4 Medium-precision spectroscopic follow-up observations . . . . . . . . . . . 33
1.5.5 High-precision spectroscopic follow-up observations . . . . . . . . . . . . . 34
1.5.6 Multi-band photometric follow-up observations . . . . . . . . . . . . . . . . 36
1.6 Follow-up Studies of Transiting Extra-Solar Planets . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
1.7 Habitability of Planets and the Search for Life . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2 The pre-OmegaTranS Survey 49
2.1 Abstract . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.2 The Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50viii CONTENTS
2.3 Standard Reduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
2.3.1 The gain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
2.3.2 Construction of the master bias images . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
2.3.3 Construction of the master flatfield images . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
2.3.4 Construction of the bad pixel masks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
2.3.5 Data reduction of the science images . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
2.3.6 Cosmic ray filtering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
2.3.7 Astrometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
2.4 UBVRI Photometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
2.5 Difference Imaging Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
2.5.1 Construction of the reference image . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
2.5.2 Construction of the difference images . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
2.5.3 Light curve extraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
2.6 Light Curve Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
2.6.1 Systematics removal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
2.6.2 Box-fitting analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
2.7 pre-OmegaTranS Candidates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
2.7.1 POTS-C1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
2.7.2 POTS-C2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
2.7.3 POTS-C3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
2.7.4 POTS-C4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
2.7.5 Follow-up strategy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
2.8 Detection Efficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
2.9 Survey Byproducts: Variable Stars . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
2.10 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
3 Follow-up of OGLE2-TR-L9 101
3.1 Transit Photometry with GROND . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
3.1.1 Data acquisition and analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
3.1.2 Fitting the transit light curves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
3.2 Spectroscopic Observations with UVES/FLAMES . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
3.2.1 Determination of stellar spectroscopic parameters . . . . . . . . . . . . . . . 104
3.2.2 Radial velocity measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
3.3 Estimation of the Stellar and Planetary Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
3.3.1 Stellar mass, radius, and age . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
3.3.2 Planetary mass and radius . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
3.4 Rejection of Blended Eclipsing Binary Scenarios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
3.5 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
4 Optimization of the Pan-Planets Survey Strategy 113
4.1 Abstract . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
4.2 The Pan-Planets Survey . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
4.3 Simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
4.3.1 Input stellar distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
4.3.2 Input planet distributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116CONTENTS ix
4.3.3 White noise model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
4.3.4 Residual red noise model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
4.3.5 Epochs of the observations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
4.3.6 Light curve analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
4.3.7 Signal-to-noise cut . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
4.4 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
4.4.1 Influence of the size of the observing blocks . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
4.4.2 Influence of the residual red noise model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
4.4.3 Influence of the number of fields . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
4.4.4 The expected number of detections in the Pan-Planets survey . . . . . . . . . 128
4.4.5 Number of expected detections in a two year campaign . . . . . . . . . . . . 129
4.4.6 The detection of Very Hot Neptunes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
4.5 Consistency Check . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
4.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
5 Summary and Outlook 137
A Astrophysical Constants and Acronyms 139
Bibliography 141
Acknowledgments 159
Curriculum Vitae 161x CONTENTS