Characterization of exoplanets and their host-stars with high precision photometry from ground-based and satellite observations

Abstract

Die Erforschung von Exoplaneten eröffnet uns ein tieferes Verständnis der Planetenentste- hung in unserem Sonnensystem und wird von der langfristigen Hoffnung begleitet, lebens- freundliche neue Welten zu finden. Bis heute haben wir die Existenz von fast 2000 Exoplan- eten bestätigt, die mithilfe einer Vielzahl unterschiedlicher Methoden entdeckt wurden. Ein Großteil der uns bekannten Planetenpopulation wurde mit dem Transitverfahren von dem Weltraumteleskop Kepler gefunden. Entgegen unseren ursprünglichen Erwartungen treten extrasolare Planeten in sehr verschiedenen Größen und orbitalen Konfigurationen auf. Indem wir diese Objekte studieren, gewinnen wir einen Einblick in die Prozesse der Planetenbildung und die Population der Planeten in unserer galaktischen Nachbarschaft. Ein vielseitiges Nebenprodukt der Bestrebungen, neue Planeten zu entdecken, ist der Auf- bau einer großen fortlaufenden Datenbank stellarer Beobachtungen mit hoher Genauigkeit. Auf Grundlage dieser Daten können wir verschiedene Planeteneigenschaften ebenso wie die photosphärische Aktivität der Zentralsterne untersuchen. Der auffälligste Effekt der mag- netischen Aktivität der Sterne ist das Auftreten dunkler Flecken in der stellaren Photo- sphäre. Wegen der stellaren Rotation treten diese Flecken zumeist periodisch auf der sicht- baren Hemisphäre des Sterns auf, um dann wieder von dieser zu verschwinden. Dieser Effekt führt zu einer quasi-periodischen Variation der beobachteten stellaren Flüsse. Diese photometrischen Modulationen liefern wertvolle Informationen über den Stern, da sie uns beispielsweise Einsicht in die Prozesse der differentiellen Rotation ermöglichen und die Ex- istenz oder Abwesenheit magnetischer Zyklen anzeigen. Meine Doktorarbeit beschäftigt sich mit der Verbesserung der Charakterisierung von Exo- planeten um aktive Sterne. Darauf aufbauend wird eine Untersuchung der photosphärischen Aktivität ihrer Zentralsterne mithilfe hochpräziser photometrischer Daten durchgeführt. Meine Untersuchungen habe ich mit der Charakterisierung der Planeten um den aktiven Stern Kepler-210 begonnen. Aufgrund der Ergebnisse meiner Untersuchung über die Ak- tivitätsmodulation von Kepler-210 schlage ich zudem den Gebrauch von Spot-Modellen in Verbindung mit anderen bewährten Methoden vor, um photosphärisch aktive Sterne zu un- tersuchen. Unglücklicherweise erschwert der Einfluss der Flecken auf stellaren Lichtkurven die Charak- terisierung der bedeckenden Planeten. Die gelegentliche Bedeckung von Sternflecken durch Planeten hat Auswirkungen auf die aus den Transits bestimmten Parameter, wie zum Beispiel den gemessenen Zeitpunkt der Transitmitte. Ich habe Simulationen mit einer Vielzahl von Stern-Planet- und Sternflecken-Konfigurationen entwickelt und durchgeführt, um die Wahrscheinlichkeit der Entdeckungen von fleckeninduzierten Transitmittelpunktvari- ationen (transit timing variations - TTVs) beurteilen zu können. Darauf aufbauend schlage ich die Methode "unsharp masking" als Werkzeug zur Analyse der Transitl-Lchtkurven vor. Ich wende diese Methode an, um die Urspr’onge der photometrischen Modulationen und Zeitvariationen des KOI-1452 zu untersuchen. Der Hauptgrund für die eingeschränkte Präzision bodengebundener photometrischer Beobach- tungen liegt in ihrer Störung durch atmosphärische Szintillation. Szintillation ist die Störung der Wellenfront elektromagnetischer Strahlen, die auf Störungen durch unruhige höhere Schichten der Atmosphäre zurückzuführen ist. In dem Bestreben, diese Szintillationsef- fekte zu verstehen, haben wir ein astronomisches Schnellbild-Teleskop aufgebaut, um gleichzeitig die statistischen Eigenschaften der Szintillation bei mehreren Zielobjekten studieren zu können. Das Ergebnis dieser Studie zeigt, dass es möglich ist, aufgrund systematischer Untersuchungen mit diesem "fast imager” die bodenbasierte Photometrie zu verbessern und beispielsweise sub-milimag-Präzision mit kleinen Teleskopen zu erreichen. Neben diesen Studien der Szintillation eignet sich der" fast imager" ideal für die hochgenaue differentielle Photometrie bei hellen variablen Sternen und großen Planeten. Zum Test und Nachweis dieser Möglichkeiten habe ich mit diesem Teleskop Beobachtungen variabler Sterne durchge- führt und ausgewertet.

The quest for exoplanets is motivated by our urge to understand the planet formation in our solar system, along with the expectation of finding inhabited new worlds. Today we have confirmed the existence of almost 2000 exoplanets, discovered from several surveys using a variety of different methods. Yet, the main part of the known planet population has been found from the space telescope Kepler, with the method of transits. In contrast to our initial expectations, extra solar planets come in a plethora of sizes and orbital configurations. Studying those objects we gain insight into the planet formation processes and the population of planets in our galactic neighborhood. A useful side-product from our chase for the discovery of new exoplanets, is the creation of a large database with high accuracy, often continuous, stellar observations. Using these data, we can study the photospheric activity of the planet-hosting stars as well as the planets. The most obvious effect of stellar magnetic activity is the appearance of dark spots on the stellar photosphere. Because of the stellar rotation, these spots appear and disappear periodically from the visible hemisphere of the star. This effect leads to formation of periodic variations in the observed stellar flux. These photometric modulations are a precious source of informations about the star, as they offer an insight into processes like i.e., differential rotation and the existence, or absence, of magnetic cycles. My thesis is dedicated to the improvement of the characterization of exoplanets around active stars, along with the study of the photospheric activity of their hosts, using high precision photometric data. To this end, I began my studies with the characterization of the planets around the active star Kepler-210. Furthermore, with the use of spot modeling in combination with other established methods I studied the activity modulations in the light curve of Kepler-210. The influence of spots on stellar light curves has a negative impact on the characterization of transiting planets. The occasional occultations of starspots by planets may affect the estimation of the transit parameters, e.g. the mid-transit time. To evaluate the probability for the detection of spot induced transit timing variations (TTV), I designed and ran a set of simulations, with a variety of star-planet and starspot configurations. Furthermore, I introduce the technique of unsharp masking as a tool for transit light curve analysis. I suc- cessfully apply this method in order to examine the origins of the photometric modulations and timing variations of KOI-1452. The main reason for the limited precision of ground based observations is the scintillation noise. Atmospheric scintillation is the wavefront distortion of electromagnetic radiation due to the turbulent higher layers of the atmosphere. In an effort to understand the scintillation noise effects on the light curves, we assembled a fast imaging telescope in order to simul- taneously study the statistical properties of scintillation on multiple targets. The results of this study suggest that, with systematic scintillation studies with our fast imaging telescope, it is possible to improve the ground based photometry, i.e, to reach sub milimag precision, with the use of small telescopes. Besides scintillation studies, the fast imager is ideal for high precision differential photometry of bright variable stars and large planets. As a proof of concept I demonstrate observations of the variable star ε-Cep.