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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-47713
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2010/4771/


Starspots and extra-solar planets in lightcurves and radial velocity measurements

Sternflecken und extra-solare Planeten in Lichtkurven und Radialgeschwindigkeitsmessungen

Huber, Klaus Felix

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SWD-Schlagwörter: Astronomie , Astrophysik
Freie Schlagwörter (Deutsch): Stellare Aktivität
Freie Schlagwörter (Englisch): astronomy , astrophysics , stellar activity , Doppler Imaging , eclipse mapping
Basisklassifikation: 39.40
Institut: Physik
DDC-Sachgruppe: Astronomie, Kartographie
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Schmitt, Jürgen H. M. M. (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 30.07.2010
Erstellungsjahr: 2010
Publikationsdatum: 20.09.2010
Kurzfassung auf Englisch: Stellar activity and extra-solar planets are two especially vivid topics of modern astronomy. Both yield fundamental insights into nature and its physical processes -- they even contribute to one of the oldest questions of mankind: Are we alone in the Universe?

New instruments with unprecedented precision and long-term monitoring provide lightcurves and radial velocity measurements of thousands of systems opening up new opportunities for researchers. Modern spectroscopic devices reach radial velocity accuracies of below 1 m/s detecting smaller and smaller planets down to a few Earth masses. New satellites as CoRoT and Kepler obtain continuous high-precision photometry to detect transiting planets as small as our own.

This data is not only valuable for the detection of planets and the analysis of their properties. Lightcurves and radial velocity measurements always contain the properties of the star itself as well, which offers a whole new range of possibilities. One of these is the analysis of dark patches on the surface of stars called starspots.

This thesis deals with the analysis of this planetary' data concerning stellar activity. The activity of a star is usually merely regarded as additional noise' in planet finding observations and is either ignored in the data analysis or the star is not regarded as a suitable target. In many cases both strategies are not recommendable; to demonstrate different approaches and the opportunities within these data sets is the basic idea of this PhD thesis.

First, the reader is introduced to the subjects of sunspots, starspots, and extra-solar planets. Second, the results of the analysis of two active stars are presented. Doppler images of the active star V889 Her are used to model the expected activity-induced radial velocity variations; a comparison to high-precision long-term radial velocity measurements shows good agreement and indicates lifetimes of the dominant surface feature of more than one year.

The spot distribution, and its temporal evolution, is reconstructed from the high-precision lightcurve of the active, planet-hosting star CoRoT-2. The application of planetary eclipse mapping', which is the reconstruction of spots from the deformation of planetary transit profiles,
results in a detailed reconstruction of the eclipsed surface section of the star. For the first time a simultaneous reconstruction of the rotational modulation and the transit profiles is presented, leading to brightness maps for the eclipsed and the noneclipsed stellar surface. Using these maps, the evolution of the spot distribution is traced in detail for almost half a year.
Kurzfassung auf Deutsch: Stellare Aktivität und extra-solare Planeten sind zwei besonders lebhafte Gebiete der modernen Astronomie. Beide Themen führen zu fundamentalen Erkenntnissen über die Natur
und ihre physikalischen Abläufe -- sie tragen sogar zu einer der ältesten Fragen der Menschheit bei: Sind wir allein im Universum?

Neue Instrumente mit unübertroffener Präzision und Langzeit-Beobachtungsprogramme liefern Lichtkurven und Radialgeschwindigkeitsmessungen von Tausenden von Sternsystemen und eröffnen dadurch neue Möglichkeiten für die Forschung. Moderne spektroskopische Geräte erreichen Genauigkeiten von unter 1 m/s in Radialgeschwindigkeitsmessungen und entdecken immer kleinere, nur einige Erdmassen große Planeten. Neue Satelliten, wie CoRoT und Kepler, liefern ununterbrochene, hoch-präzise Photometrie um die Bedeckung von Sternen durch Planeten zu beobachten, von denen einige nicht viel größer sind als unsere eigene Erde.

Diese Daten sind nicht nur für die Entdeckung von Planeten und die Analyse ihrer Eigenschaften nutzbar. Die Lichtkurven und Radialgeschwindigkeitsmessungen beinhalten ebenso die Eigenschaften des Sterns selbst, was eine Vielzahl von neuen Möglichkeiten birgt. Eine davon ist die Analyse von dunklen Bereichen auf der Oberfläche von Sternen, den sogenannten Sternflecken.

Diese Doktorarbeit beschäftigt sich mit der Analyse von Signaturen stellarer Aktivität in Daten die in erster Linie aufgenommen wurden, um Planeten zu entdecken. Die Aktivität eines Sterns wird in solchen Daten normalerweise nur als Störung betrachtet und entweder in der Datenanalyse ignoriert oder das Objekt wird als ungeeignet verworfen.
In vielen Fällen sind diese beiden Vorgehensweisen nicht empfehlenswert, weshalb die grundlegende Idee dieser Doktorarbeit das Aufzeigen von anderen Herangehensweisen und Möglichkeiten ist.

Zuerst wird der Leser an die Themengebiete Sonnenflecken, Sternflecken und extra-solare Planeten herangeführt. Im zweiten Teil werden die Ergebnisse der Analyse von zwei aktiven Sternen präsentiert. Dopplerbilder des aktiven Sterns V889 Her werden benutzt, um Radialgeschwindigkeiten
zu berechnen, die sich auf Grund der Fleckenverteilung ergeben. Ein Vergleich mit beobachteten Radialgeschwindigkeiten zeigt eine gute Übereinstimmung
und weist auf Lebenszeiten der dominanten Oberflächenstruktur von über einen Jahr hin.

Die hoch-präzise Lichtkurve des aktiven Sterns CoRoT-2,
welcher von einem bedeckenden Planeten umkreist wird,
wird verwendet um die Fleckenverteilung zu rekonstruieren. Unter Anwendung der Technik des 'planetary eclipse mapping' wird die Fleckenverteilung auf dem Bereich der Sternoberfläche der von dem Planeten überdeckt wird mit hoher Auflösung wiedergewonnen. Zum ersten Mal wird eine gleichzeitige Rekonstruktion der Rotationsmodulation und der Bedeckungsprofile durch den Planeten präsentiert, und die daraus gewonnen Helligkeitsverteilungen des überdeckten und des nicht überdeckten Teils der Sternoberfläche werden gezeigt. Mit Hilfe dieser Helligkeitsverteilungen kann die Veränderungen der Sternoberfläche über den gesamten Beobachtungszeitraum von fast einem halben Jahr im Detail verfolgt werden.

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