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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-57023
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2012/5702/


Analysis of Stellar Activity and Orbital Dynamics in Extrasolar Planetary Systems

Analyse von stellarer Aktivität und Orbitdynamik in extrasolaren Planetensystemen

Schröter, Sebastian

pdf-Format:
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SWD-Schlagwörter: Extrasolarer Planet , Sternaktivität , Optische Spektroskopie , Chromosphäre , Röntgenstrahlung
Freie Schlagwörter (Englisch): extrasolar planets , stellar activity , chromospheric activity , orbital dynamics
Basisklassifikation: 39.53 , 39.22 , 39.00 , 39.40
Institut: Physik
DDC-Sachgruppe: Astronomie, Kartographie
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Schmitt, Jürgen H. M. M. (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 04.05.2012
Erstellungsjahr: 2012
Publikationsdatum: 17.07.2012
Kurzfassung auf Englisch: The area of exoplanet research, which emerged less than two decades ago, was revolutionized with the advent of space-based photometers like CoRoT and Kepler. These observatories provide long-term monitoring of thousands of stars with unprecendented accuracy and high time resolution to detect transiting planets.

Magnetic activity of the host star can have a substantial influence on the evolution of a planetary system with close-in planets. The high-energy radiation strongly heats the planetary atmosphere leading to evaporation and mass loss. Exoplanetary systems hosting an active star are particularly interesting if the planet transits the stellar disk, because in this case the planet allows to spatially resolve activity-related photospheric, chromospheric and coronal features in the host star's atmosphere.

This work is dedicated to the study of orbital dynamics and stellar activity in three landmark exoplanetary systems using ground- and space-based photometry as well as optical and X-ray spectroscopy.

The first part of this work presents photometric studies of the TrES-2 exoplanetary system. The nearly grazing transit of its hot Jupiter and the low level of variability of the host star make this system particularly suited to study long-term changes in the orbital geometry of the planet. Our analysis of multi-color ground-based photometry indicates a secular change in the inclination of the planetary orbit, which we interpret as the result of an external Jovian mass perturber in the system. Follow-up studies by other authors were, however, unable to confirm our results. We resolve the issue with an analysis of the first four quarters of Kepler data of TrES-2, which clearly rule out an inclination change of the expected size.

The following part focuses on the exceptionally active planet-hosting star CoRoT-2A. We provide a characterization of the star in the optical and X-ray regime using a series of high-quality VLT/UVES spectra and a 15 ks Chandra exposure, both obtained during planetary transits. The optical data are analyzed to derive the fundamental stellar parameters, distance, and age of the system using complementary methods of high-resolution stellar spectroscopy. They confirm the presence of a late-type stellar companion that is gravitationally bound to the system. The X-ray data provide a clear detection of coronal X-ray emission from CoRoT-2A, however, unexpectedly, its likely coeval stellar companion remains undetected. The close-in hot Jupiter is found to be immersed in an intense field of high-energy radiation from its host star, which leads to a gradual evaporation of the planetary atmosphere.

We further provide an analysis of our time-resolved spectroscopic data and report the first detection of a planet-induced deformation of the Ca II H and K emission-line cores during the transit. We use this effect to resolve the spatial structure and extent of the chromosphere of CoRoT-2A.

The work at hand closes with a study of the CoRoT-7 system, known for hosting the first transiting super-earth. X-ray observations obtained with XMM-Newton are combined with archival optical VLT/UVES spectra to show that the rocky planets CoRoT-7b and CoRoT-7c are prone to ultraviolet and X-ray emission from their host star. We estimate the effect that planetary mass loss due to high-energy irradiation could have had on the evolution of the system.
Kurzfassung auf Deutsch: Das Forschungsgebiet der extrasolaren Planeten, dessen Anfänge weniger als zwei Jahrzehnte zurückliegen, erlebt zur Zeit eine rasante Entwicklung ausgelöst durch Weltraumteleskope wie CoRoT und Kepler. Diese Observatorien überwachen Tausende von Sternen über lange Zeiträume mit bisher unerreichbarer Genauigkeit und Zeitauflösung, um Sternbedeckungen durch Planeten zu beobachten.

Magnetische Aktivität des Sterns kann einen bedeutenden Einfluss auf die Entwicklung eines Sternsystems mit eng umlaufenden Planeten haben. Die hochenergetische Strahlung führt zu Evaporationsprozessen und Massenverlust in der Atmosphäre des Planeten. Extrasolare Planetensysteme mit einem aktiven Stern sind dann besonders interessant, wenn der Planet die Sternscheibe bei einem Transit bedeckt. In diesem Fall ermöglicht der Planet, die räumliche Auflösung von durch Aktivität bedingten Strukturen in photosphärischen, chromosphärischen und koronalen Schichten der Sternatmosphäre.

Diese Arbeit ist der Untersuchung von Orbitdynamik und stellarer Aktivität in drei außergewöhnlichen Exoplanetensystemen vermöge boden- und weltraumgestützter Photometrie, sowie optischer und Röntgenspektroskopie gewidmet.

Der erste Teil dieser Arbeit handelt von photometrischen Untersuchungen des Exoplanetensystems TrES-2. Aufgrund der fast streifenden Bedeckung durch seinen heißen Jupiter und der geringen Aktivität des Sterns ist dieses System besonderes geeignet, um Veränderungen der Orbitgeometrie über größere Zeiträume zu verfolgen. Unsere Analyse von Vielfarben-Photometrie weist auf eine Inklinationsänderung des Planeten hin, die sich auf den Einfluss eines äußeren Störkörpers von Jupitermasse zurückführen lässt. Nachuntersuchungen anderer Autoren konnten unsere Ergebnisse jedoch nicht bestätigen. Wir klären den Sachverhalt durch eine Analyse der ersten vier Quartale von Kepler-Daten von TrES-2, die keine Hinweise auf eine Inklinationsänderung entsprechender Größe zeigen.

Im nächsten Teil wird der außergewöhnlich aktive Zentralstern im Planetensystem CoRoT-2 betrachtet. Wir charakterisieren die Eigenschaften des Sterns im optischen und Röntgenbereich mittels einer Zeitserie von VLT/UVES-Spektren und einer 15 ks Aufnahme des Chandra-Teleskops, die beide während eines Transits gewonnen wurden. Die optischen Daten werden durch verschiedene Verfahren hochauflösender Spektralanalyse untersucht und erlauben Rückschlüsse auf die stellaren Parameter, Entfernung und Alter des Systems. Die Daten bestätigen, dass CoRoT-2A einen Begleitstern späten Spektraltyps hat, der gravitativ an das System gebunden ist. Die Röntgendaten zeigen koronale Emission von CoRoT-2A, der vermutlich gleichaltrige Begleitstern bleibt jedoch undetektiert. Der heiße Jupiter ist dem intensiven hochenergetischen Strahlungsfeld des Sterns ausgesetzt. Dies führt zu einer langsamen Evaporation der planetaren Atmosphäre.

Bei der Untersuchung der zeitaufgelösten Spektren ist es erstmals gelungen, zeitabhängige Deformationen der chromosphärischen Emissionskerne der Ca II H- und K-Linien während des Transits nachzuweisen. Wir benutzen diesen Effekt, um die räumliche Struktur und Ausdehnung der Chromosphäre von CoRoT-2A zu bestimmen.

Die vorliegende Arbeit schließt mit einer Untersuchung des Planetensystems CoRoT-7, in dem der erste Transit einer Supererde beobachtet worden ist. Wir kombinieren Röntgenbeobachtungen von XMM-Newton und Archivdaten von optischer VLT/UVES-Spektroskopie des Systems, um nachzuweisen, dass die beiden Gesteinsplaneten CoRoT-7b und CoRoT-7c starker UV- und Röntgenstrahlung des Sterns ausgesetzt sind. Wir schätzen den Einfluss der hochenergetischen Strahlung ab, den diese über den Massenverlust des Planeten auf die Entwicklung des Systems gehabt haben kann.

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