Theoretical Studies on Brown Dwarfs and Extrasolar Planets

Abstract

With our human self-reflection we embody the fact that the Universe thinks about itself. About 13.75 billion years after a Big Bang, dead matter became something that is able to say "Je pense, donc je suis.", or "I think, therefore I am". For several thousands of years, we are wondering what it means 'to be', what that is which has being, where did it all come from and -- why. In quest of answers to these questions, some dig into the shortest scales of matter, so they may penetrate the power that holds the Universe together. Others study the forms of life or explore the human brain, some believe in an omnipotence and some, finally, use devices to look deep into the sky. About 20 years ago, these stargazers -- astronomers, who used to name celestial objects in former times, and astrophysicists, who study their physical qualities -- discovered the first planet that orbits a distant star. Over the intervening years, the number of such confirmations has increased to several hundreds. Moreover, scientists discovered objects, which are neither stars nor planets, but have intermediate masses. These 'brown dwarfs' constitute the connecting link between the two regimes. And both, stars as well as planets, can only be understood comprehensively in their context with brown dwarfs.

The mere number of these so-called extrasolar planets, or exoplanets, does not tell us too much about our cosmological context. We want to study them. This thesis aims at the gravitational interaction of stellar and substellar objects and at the possibilities for their exploration. The picture of an isolated planet that orbits its host star undeviatingly and forever is obsolete. Recent discoveries have shown that the fate of planets in close orbits is determined by star-planet interaction. And tidal effects turned out to play a key role. Even more, the structure of young brown dwarfs essentially depends on the tidal processes driven by close companions.

Part I of this book, with its Chaps. 2 to 4, gives an introduction to the basic physics and to the objects we will deal with. In Part II, which makes up the cumulative contingent of my publications, Chap. 5 is dedicated to the tidal effects on brown dwarfs. This issue had not been considered before. Here, we point out how tidal processes affect the energy budget of these substellar objects and how they cause deviations from the standard evolution tracks of isolated brown dwarfs. We apply different established tidal models to the case of the currently only known eclipsing brown dwarf binary, and we identify their differences as well as possibilities for their validation or falsification. In the following, I address the impact of tidal effects on the habitability of exoplanets. As we find, the concept of the so-called (circumstellar) 'habitable zone' requires a revision in due consideration of tidal processes. Chapter 6 is devoted to the prediction of extrasolar planet transits and data analysis. We present sky maps of the expectation values of transits as a projection on the celestial plane. We also introduce a mathematical model, which allows for the deduction of the planet's orbital eccentricity, orientation of periastron, geometric albedo, its radius as a fraction of the stellar radius, its orbital period, and the inclination of the orbital plane with respect to the observer's line of sight. In Part III, I take the liberty to conclude, and in the appendix, finally, I present a German popular science publication of my studies on extrasolar transiting planets.

Die menschliche Selbstreflexion macht uns zu einem Hort, an dem das Universum ueber sich selbst nachdenkt. Nach ca. 13,75 Milliarden Jahren ist aus toter Materie etwas entstanden, das "Je pense, donc je suis." sagt, oder "Ich denke, also bin ich." Seit einigen tausend Jahren fragen sich Menschen, was das Sein ist, woher alles Seiende kommt, wie es anfing und -- warum. Auf der Suche nach Antworten auf diese Fragen schauen manche in die kleinsten Teilchen, um dort zu finden, was die Welt im Innersten zusammenhaelt, andere studieren das Leben in seinen unzaehligen Phaenotypen, diese und jene graben im menschlichen Gehirn, wieder andere danken einer Allmacht und einige schliesslich schauen mit Geraeten in den Himmel. Diesen Himmelsguckern -- solchen, die die Objekte am Himmel beobachten und ihnen dereinst Namen gaben (Astronomen) und denen, die die Vorgaenge zwischen und in diesen Koerpern studieren (Astrophysikern) -- ist es vor ca. 20 Jahren das erste Mal gelungen, einen Planeten zu entdecken, der einen entfernten Stern umrundet. Mittlerweile ist die Anzahl dieser seltsamen Welten um andere Sterne gar auf mehrere hundert gestiegen. Darueber hinaus wurden Objekte entdeckt, die weder Stern noch Planet sind und dennoch aehnliche Massen haben. Diese "Braunen Zwerge" bilden das Bindeglied zwischen Sternen und Planeten. Beide Regime koennen nur in ihrem Zusammenhang mit Braunen Zwergen verstanden werden.

Die schiere Anzahl der sogenannten extrasolaren Planeten, kurz: Exoplaneten,erzaehlt uns noch nicht allzuviel ueuber unseren kosmologischen Zusammenhang. Wir wollen sie untersuchen. Mein Anliegen mit dieser Arbeit ist es, einen Beitrag zum Verstaendnis stellarer und substellarer Wechselwirkungen zu leisten und Moeglichkeiten ihrer Erkundung aufzuzeigen. Denn das Bild von einem Planeten, der seinen Mutterstern auf ewig ungestoert umrundet, ist obsolet. Die Entdeckungen der vergangenen Jahre haben gezeigt, dass das Schicksal insbesondere der Planeten in engen Orbits von der Wechselwirkung mit dem Zentralgestirn bestimmt wird. Einen wichtigen Einfluss stellt hier die Gezeitenwechselwirkung zwischen Stern und Planet dar. Auch die Struktur Brauner Zwerge in engen Orbits haengt vor allem fuer junge Objekte stark vom gravitativen Einfluss ihrer Begleiter ab.

Teil I dieses Buches gibt mit seinen Kapiteln 2 bis 4 eine Einfuehrung in die Grundlagen. In Teil II, der den kumulativen Anteil von mir bereits veroeffentlichter Arbeiten ausmacht, widme ich Kap. 5 zunaechst den Gezeitenwechselwirkungen zwischen Braunen Zwergen, die vorher noch nicht Gegenstand veroeffentlichter Forschung waren. Wir zeigen auf, wie Gezeiten das Energiebudget dieser substellaren Koerper beeinflussen und Abweichungen von der Standardevolution im gravitativ ungestoerten Falle bewirken. Da die Prozesse von Gezeitendissipation laengst nicht in einem befriedigenden Masse verstanden sind, wenden wir hier verschiedene, etablierte Modelle an und zeigen deren Unterschiede sowie Moeglichkeiten zur Validierung und Falsifikation auf. Im weiteren Verlauf von Kap. 5 wende ich mich dem Einfluss von Gezeiten auf die Bewohnbarkeit von Exoplaneten zu. Hier konnten wir finden, dass Gezeiten eine grundlegende Revision des Konzepts der sogenannten "Habitablen Zone" verlangen. In Kap. 6 stelle ich Studien vor, die Transits von Exoplaneten vor ihrem Mutterstern behandeln. In diesen Arbeiten beschaeftigen wir uns mit der Vorhersage von Transits sowie der Datenanalyse. Zum ersten Mal wurden hier Karten erstellen, welche die Transitwahrscheinlichkeit von Exoplaneten an die Himmelssphaere projizieren. Ausserdem stellen wir ein mathematisches Modell vor, welches die Ableitung der Exzentrizitaet, der Orientierung des Periastrons, der geometrischen Albedo eines Transitplaneten, seines Radius im Verhaeltnis zum Radius des Sterns, seiner Orbitperiode und der orbitalen Inklination gegen die Sichtlinie aus Beobachtungsdaten erlaubt. In Teil III erlaube ich mir, Schluesse zu ziehen, waehrend der Anhang mit einer populaerwissenschaftlichen Ausgabe meiner Studie an extrasolaren Transitplaneten aufwartet.