Ground-based transmission spectroscopy of three inflated Hot Jupiter exoplanets

Bodengebundene Transmissionsspektroskopie von drei ausgedehnten Hot Jupiter Exoplaneten

  • The characterization of exoplanets is a young and rapidly expanding field in astronomy. It includes a method called transmission spectroscopy that searches for planetary spectral fingerprints in the light received from the host star during the event of a transit. This techniques allows for conclusions on the atmospheric composition at the terminator region, the boundary between the day and night side of the planet. Observationally a big challenge, first attempts in the community have been successful in the detection of several absorption features in the optical wavelength range. These are for example a Rayleighscattering slope and absorption by sodium and potassium. However, other objects show a featureless spectrum indicative for a cloud or haze layer of condensates masking the probable atmospheric layers. In this work, we performed transmission spectroscopy by spectrophotometry of three Hot Jupiter exoplanets. When we began the work on this thesis, optical transmission spectra have been available for two exoplanets. OurThe characterization of exoplanets is a young and rapidly expanding field in astronomy. It includes a method called transmission spectroscopy that searches for planetary spectral fingerprints in the light received from the host star during the event of a transit. This techniques allows for conclusions on the atmospheric composition at the terminator region, the boundary between the day and night side of the planet. Observationally a big challenge, first attempts in the community have been successful in the detection of several absorption features in the optical wavelength range. These are for example a Rayleighscattering slope and absorption by sodium and potassium. However, other objects show a featureless spectrum indicative for a cloud or haze layer of condensates masking the probable atmospheric layers. In this work, we performed transmission spectroscopy by spectrophotometry of three Hot Jupiter exoplanets. When we began the work on this thesis, optical transmission spectra have been available for two exoplanets. Our main goal was to advance the current sample of probed objects to learn by comparative exoplanetology whether certain absorption features are common. We selected the targets HAT-P-12b, HAT-P-19b and HAT-P-32b, for which the detection of atmospheric signatures is feasible with current ground-based instrumentation. In addition, we monitored the host stars of all three objects photometrically to correct for influences of stellar activity if necessary. The obtained measurements of the three objects all favor featureless spectra. A variety of atmospheric compositions can explain the lack of a wavelength dependent absorption. But the broad trend of featureless spectra in planets of a wide range of temperatures, found in this work and in similar studies recently published in the literature, favors an explanation based on the presence of condensates even at very low concentrations in the atmospheres of these close-in gas giants. This result points towards the general conclusion that the capability of transmission spectroscopy to determine the atmospheric composition is limited, at least for measurements at low spectral resolution. In addition, we refined the transit parameters and ephemerides of HAT-P-12b and HATP- 19b. Our monitoring campaigns allowed for the detection of the stellar rotation period of HAT-P-19 and a refined age estimate. For HAT-P-12 and HAT-P-32, we derived upper limits on their potential variability. The calculated upper limits of systematic effects of starspots on the derived transmission spectra were found to be negligible for all three targets. Finally, we discussed the observational challenges in the characterization of exoplanet atmospheres, the importance of correlated noise in the measurements and formulated suggestions on how to improve on the robustness of results in future work.show moreshow less
  • Die Charakterisierung von Exoplaneten ist ein junger und sich schnell entwickelnder Zweig der Astronomie. Eine ihrer Methoden ist die Transmissionsspektroskopie, welche nach spektralen Abdrücken der Planetenatmosphäre im Licht des Muttersterns sucht. Diese Technik macht sich den Umstand zunutze, dass Planeten mit niedriger Bahnneigung einmal pro Umlauf vor ihrem Stern vorbeiziehen, wobei das Sternlicht Teile der Planetenatmosphäre durchläuft. Durch die Auswertung solcher Transitbeobachtungen lässt sich auf die chemische Zusammensetzung der Planetenatmosphäre schließen. Trotz der groβen Herausforderung an die benötigte Messgenauigkeit konnten bereits erste vielversprechende Ergebnisse erzielt werden und Entdeckungen wie zum Beispiel Rayleighstreuung und Absorption von Natrium und Kalium vermeldet werden. Andere Beobachtungen zeigten aber auch gänzlich flache Spektren ohne wellenlängenabhängige Absorption, welche auf eine Wolkenschicht oder Dunst in den Atmosphären hinweisen. In dieser Arbeit führten wirDie Charakterisierung von Exoplaneten ist ein junger und sich schnell entwickelnder Zweig der Astronomie. Eine ihrer Methoden ist die Transmissionsspektroskopie, welche nach spektralen Abdrücken der Planetenatmosphäre im Licht des Muttersterns sucht. Diese Technik macht sich den Umstand zunutze, dass Planeten mit niedriger Bahnneigung einmal pro Umlauf vor ihrem Stern vorbeiziehen, wobei das Sternlicht Teile der Planetenatmosphäre durchläuft. Durch die Auswertung solcher Transitbeobachtungen lässt sich auf die chemische Zusammensetzung der Planetenatmosphäre schließen. Trotz der groβen Herausforderung an die benötigte Messgenauigkeit konnten bereits erste vielversprechende Ergebnisse erzielt werden und Entdeckungen wie zum Beispiel Rayleighstreuung und Absorption von Natrium und Kalium vermeldet werden. Andere Beobachtungen zeigten aber auch gänzlich flache Spektren ohne wellenlängenabhängige Absorption, welche auf eine Wolkenschicht oder Dunst in den Atmosphären hinweisen. In dieser Arbeit führten wir Transmissionsspektroskopie für drei extrasolare Planeten aus der Klasse der heißen Jupiter-artigen Gasriesen durch. Als wir mit unserer Studie begannen, waren erst zwei derartige Objekte erfolgreich auf ihr Spektrum im optischen Wellenlängenbereich untersucht worden. Unser Ziel war es, diese Anzahl zu erhöhen, um herauszufinden, welche spektralen Eigenschaften typisch für diese Exoplaneten sind. Wir wählten drei Objekte aus, für welche die zu erwartenden Messgenauigkeiten ausreichend für signifikante Ergebnisse sind: HAT-P-12b, HAT-P-19b und HAT-P-32b. Zusätzlich unternahmen wir Langzeitbeobachtungen der Muttersterne dieser Planeten, um die Transitbeobachtungen auf einen möglichen Einfluss von Sternaktivität zu korrigieren. Die erzielten Messungen der drei Planeten deuten alle auf Spektren ohne Absorptionslinien hin. Das Fehlen dieser Linien kann durch verschiedene Möglichkeiten zustande kommen, welche für die einzelnen Objekte individuell variieren können. Der Umstand jedoch, dass allen Objekten diese Linien fehlen und dass ähnliche Ergebnisse für weitere Objekte kürzlich in der Literatur publiziert wurden, deutet darauf hin, dass für einen bedeutenden Teil der Exoplaneten die Atmosphären nicht transparent, sondern durch kondensiertes Material optisch undurchlässig sind. Sollte sich dieses Ergebnis durch zukünftige Beobachtungen bestätigen, bedeutet es, dass die Transmissionsspektroskopie als Beobachtungstechnik nur sehr begrenzt für die Charakterisierung dieser Planetenatmosphären nützlich ist. Nur Beobachtungen hochaufgelöster Spektroskopie könnten dann verwertbare Informationen liefern. Weiterhin konnten wir in unserer Arbeit die Transitparameter und Ephemeriden von HAT-P-12b und HAT-P-19b genauer vermessen als es vorherigen Analysen möglich war. Durch unsere Langzeitbeobachtungen konnte die Rotationsperiode von HAT-P-19 bestimmt, sowie das Alter dieses Muttersterns neu berechnet werden. Ebenso leiteten wir Höchstwerte für eine mögliche Veränderlichkeit von HAT-P-12 und HAT-P-32 ab. Wir errechneten die Korrekturen der Transitparameter auf die Einflüsse von Sternaktivität und stellten fest, dass diese die Messergebnisse nicht wesentlich beeinflussen. Unsere Arbeit erlaubte tiefe Einblicke in die technischen Herausforderungen, welche diese Wissenschaft an die Sternbeobachtungen stellt. Wir diskutierten den Einfluss von systematischen Fehlern in den Messreihen und erarbeiteten Empfehlungen, wie die Messergebnisse weiter verbessert werden können.show moreshow less

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Metadaten
Author:Matthias Mallonn
URN:urn:nbn:de:kobv:517-opus4-74403
Advisor:Klaus G. Strassmeier
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2014
Publishing Institution:Universität Potsdam
Granting Institution:Universität Potsdam
Date of final exam:2015/02/24
Release Date:2015/04/01
Tag:Charakterisierung Planetenatmosphären; Sternaktivität; extrasolare Planeten
atmospheric characterization; extrasolar planets; stellar activity; stellar variability; transmission spectroscopy
Pagenumber:ix, 115
RVK - Regensburg Classification:US 7650
Organizational units:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Physik und Astronomie
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 52 Astronomie / 520 Astronomie und zugeordnete Wissenschaften
PACS Classification:90.00.00 GEOPHYSICS, ASTRONOMY, AND ASTROPHYSICS (for more detailed headings, see the Geophysics Appendix) / 97.00.00 Stars (for relativistic stars, see 04.40.Dg in general relativity and gravitation) / 97.82.-j Extrasolar planetary systems / 97.82.Fs Substellar companions; planets
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