Commissioning of the high-resolution comb-calibrated spectrograph at the Wendelstein Observatory and development of calibration and fitting software packages for the hunt of exoplanets

Kellermann, Hanna (2021): Commissioning of the high-resolution comb-calibrated spectrograph at the Wendelstein Observatory and development of calibration and fitting software packages for the hunt of exoplanets. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik

Abstract

In order to answer humanity's ancient question of other life within the Universe, a widely approved starting point is the search for planets in orbit around stars other than our Sun. The effort to find these so-called exoplanets has been steadily advancing throughout the last 25 years. Besides photometric instruments, high-resolution spectrographs are an essential tool in this search for these new worlds. The Wendelstein Observatory in the Bavarian Alps in Germany is a facility which is excellently suited for the hunt of exoplanets, since the 2m class telescope there is equipped with both photometric and spectroscopic instruments. In the scope of this thesis, the Échelle spectrograph FOCES, which was formerly located at the Calar Alto Observatory in southern Spain, was installed at the Wendelstein Observatory to serve as a planet hunter during a second life with the goal to achieve a m/s accuracy. This required extensive effort, starting with the temperature and pressure stabilization of its environment controlled in a slightly overpressured vessel. Further, the multi-fiber light input was designed and realized, which provides the possibility of simultaneous wavelength calibration during observations. Besides the standard ThAr calibration utilized in most spectrographs, FOCES is also equipped with a laser frequency comb, which is stabilized to an atomic clock and therefore the most precise wavelength calibration light source achievable today. During the assembly of the fiber connections, special emphasis was put to tailor them to the specific needs of astrophysical observations. The evaluation software GAMSE for the recorded Échelle spectra was developed by Dr. Liang Wang with contributions made in the scope of this thesis, while the Python software package MARMOT was developed as a major part of this thesis. MARMOT's application options include, but are not limited to, comb-wavelength calibration, b-spline template creation as well as several different choices of radial velocity estimation. Test observations of the well-known planetary host 51 Pegasi yielded an accuracy of around 3.5 m/s, satisfying the previously mentioned requirement. Apart from the work in spectroscopic hardware and software development, a Python fitting tool called multranfit, with the option for MCMC sampling of the parameter space for multiband photometric observations, was created. This program is capable of fitting observations of not only different bands but even different instruments and times of observation, simultaneously. This software contributed significantly to the confirmation of three exoplanetary candidates, Wendelstein-1b, Wendelstein-2b and TOI-1823, by combining all photometric data taken of the transits into one fit and thus constraining the parameters.

Abstract

Auf der Suche nach einer Antwort auf eine der wohl ältesten Fragen der Menschheit, ob Leben auch an anderen Orten im Universum existiert, ist die Erforschung von Planeten im Orbit um andere Sterne (Exoplaneten) eine relativ junge und gleichwohl vielversprechende Herangehensweise. Die Bemühungen, diese Exoplaneten zu finden, sind in den letzten 25 Jahren stetig vorangeschritten. Neben photometrischen Instrumenten sind insbesondere hochauflösende Spektrographen ein wesentliches Werkzeug bei der Suche nach neuen Welten. Das Wendelstein-Observatorium in den bayerischen Alpen mit seinem 2.1m-Teleskop, ausgestattet mit photometrischen und spektroskopischen Instrumenten, ist hervorragend geeignet, um wesentlich zu diesen Entdeckungen beizutragen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde der Échelle-Spektrograph FOCES, ehemals am Calar-Alto-Observatorium in Südspanien im Einsatz, umgerüstet, am Wendelstein-Observatorium installiert und in Betrieb genommen, um fortan dort die spektroskopische Suche nach Exoplaneten zu ermöglichen. Ziel hierbei war die Messung von Radialgeschwindigkeiten im m/s Bereich zu ermöglichen. Die dafür erforderlichen Umbauten und Optimierungen umfassten unter anderem eine Temperatur- und Druckstabilisierung des gesamten Spektrographen in einem temperaturstabilisierten Überdrucktank, sowie eine komplette Neukonzeptionierung der Lichteinkopplung in den Spektrographen. Diese ermöglicht eine simultane Wellenlängenkalibrierung während astronomischen Beobachtungen, was die Messgenauigkeit des gesamten Aufbaus zusätzlich verbessert. Neben der standardmäßigen ThAr-Kalibrierung, die in den meisten Spektrographen verwendet wird, ist FOCES zudem mit einem Laserfrequenzkamm ausgestattet. Durch seine Stabilisierung auf eine Atomuhr stellt er dabei die präziseste derzeit verfügbare Lichtquelle zur Wellenlängenkalibration dar. Der Spektrograph selbst kann über eine Vielzahl von optischen Fasern mit Licht gespeist werden. Bei Auslegung und Montage sämtlicher Faserverbindungen wurde besonderer Wert darauf gelegt, diese auf die speziellen Bedürfnisse astrophysikalischer Beobachtungen mit außerordentlichen Anforderungen an Präzision abzustimmen. Darüber hinaus wurde im Rahmen dieser Arbeit die federführend von Dr. Liang Wang entwickelte Auswertungssoftware GAMSE für die Datenreduktion der aufgenommenen Échelle-Spektren um eine präzisere Fehlerfortpflanzung erweitert. Zusätzlich dazu wurde das Python-Softwarepaket MARMOT für die Analyse von Radialgeschwindigkeitsdaten als wesentlicher Bestandteil dieser Arbeit von Grund auf neu entwickelt. Zu den Anwendungsoptionen von MARMOT gehören unter anderem die Rekalibrierung von Spektren mit Frequenzkammdaten, die Erstellung von B-Spline-Templates sowie verschiedene Möglichkeiten der Radialgeschwindigkeitsberechnung. Aus ersten Testbeobachtungen des bekannten Exoplanetensystems 51 Pegasi konnte eine Messgenauigkeit von ca. 3.5m/s für das gesamte Instrument, einschließlich der Auswertungssoftware, ermittelt werden. Neben der Arbeit an der spektroskopischen Hardware- und Softwareentwicklung wurde überdies eine weiteres Python-Analyse-Paket für photometrische Beobachtungen (multranfit) entwickelt. Dieses Programm ist in der Lage, photometrische Beobachtungen in verschiedenen Filterbändern, sowie darüber hinaus Daten verschiedener Instrumente simultan zu fitten und mit Hilfe von Markow-Chain-Monte-Carlo-Sampling Konfidenzintervalle im Parameterraum zu ermitteln. Die Software trug dabei wesentlich zur Bestätigung von drei Exoplaneten-Kandidaten, Wendelstein-1b, Wendelstein-2b und TOI-1823 bei, indem photometrische Daten der Transits von verschiedenen erdgebundenen, sowie Weltraumteleskopen simultan gefittet und analysiert werden konnten.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Keywords: exoplanet, echelle spectrograph, radial velocity method, transit method, frequency comb
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
• Fakultäten: Fakultät für Physik
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 20. Dezember 2021
• 1. Bericht­erstatter:in: Bender, Ralf