Stabilization of a high-resolution spectrograph and performance verification by measurements of the Rossiter-McLaughlin effect

Fahrenschon, Vanessa (2022): Stabilization of a high-resolution spectrograph and performance verification by measurements of the Rossiter-McLaughlin effect. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik

Abstract

Die große Vielfalt von bekannten Exoplanetensystemen zeigt, dass eine Vielzahl von Effekten und Parametern die Planetenentstehung beeinflussen. Ziel dieser Arbeit war es, ein Messinstrument in Betrieb zu nehmen, das eine tiefergehende Charakterisierung von Planetensystemen erlaubt. Dazu wurde der Manfred-Hirt-Planeten-Spektrograf (MaHPS) mit Systemen zur Stabilisierung von Temperatur und Druck ausgestattet, die die notwendige Messgenauigkeit ermöglichen. Die Leistungsfähigkeit von MaHPS wurde anhand von Beobachtungen des Rossiter-McLaughlin-Effekts (RM-Effekt) nachgewiesen. Diese Arbeit beginnt mit einem Überblick über die Parameter, die ein Exoplanetensystem beschreiben, und gibt eine Einführung in die Methoden, mit denen Exoplaneten entdeckt werden können. Anschließend wird der hochauflösende Spektrograf MaHPS vorgestellt, mit einem besonderen Augenmerk auf die Subsysteme für Kalibration, Temperatur- und Druckstabilisierung. Anhand von Messreihen mit Kalibrationslichtquellen wird die Temperatur- und Druckstabilität von MaHPS überprüft, mit dem Ergebnis, dass Radialgeschwindigkeitsmessungen mit einer Genauigkeit von wenigen m/s möglich sind. Mit Hilfe des RM-Effekts kann der Winkel zwischen der Rotationsachse eines Sterns und dem Orbitnormalenvektor seines Planeten bestimmt werden. Der RM-Effekt bewirkt eine Anomalie der Radialgeschwindigkeitskurve während eines Transits des Planeten, wodurch der Orbitwinkel unter Berücksichtigung verschiedener Aspekte bestimmt werden kann. Die statistische Verteilung von bereits gemessenen Orbitwinkeln und deren Bedeutung für die existierenden Planetenentstehungsmodelle wird diskutiert. Am Ende dieser Arbeit werden Beobachtungsdaten zum Nachweis des RM-Effektes für die drei Planetensysteme HD189733, HD149026 und HAT-P-2 präsentiert und interpretiert. Die Leistungsfähigkeit von MaHPS wird anhand von Vergleichen mit Messungen aus der Literatur bewertet, zudem werden Erfahrungen aus den Beobachtungen erläutert, um in Zukunft systematische Messfehler zu verringern. In dieser Arbeit wurde dargelegt, dass MaHPS in der Lage ist, eine Messgenauigkeit von wenigen m/s bei Radialgeschindigkeitsmessungen zu erreichen. Darüber hinaus war es möglich, das Signal des RM-Effekts für die beobachteten Objekte mit einer Genauigkeit nachzuweisen, die vergleichbar ist mit der Genauigkeit anderer Spektrografen, die an Teleskopen der 2m-Klasse betrieben werden. Dank dieser Erkenntnis wurde ein Beobachtungsprojekt initiiert, das Hinweise auf den RM-Effekt bei Objekten nachweisen soll, für die bisher keine Informationen über die Orbitorientierung bekannt sind, um eine Grundlage für detaillierte Beobachtungen mit präziseren Instrumenten zu schaffen.

Abstract

The vast variety of exoplanetary systems shows that multiple factors influence the formation of planets. This work aimed to take an instrument into operation that allows to thoroughly characterize planetary systems. To this end, the Manfred Hirt Planet Spectrograph (MaHPS) was equipped with systems for temperature and pressure stabilization to reach the required measurement precision. The performance of MaHPS was verified with observations of the Rossiter-McLaughlin (RM) effect. This work gives an overview of the parameters that describe an exoplanetary system and provides an introduction to the methods used to detect exoplanets. The high-resolution spectrograph MaHPS is presented, including its subsystems for calibration, temperature and pressure stabilization. The thermal and pressure stability of MaHPS is demonstrated with measurement series of calibration sources, showing a radial velocity measurement precision on the order of a few m/s. Furthermore, observations of the RM effect of the three planetary systems HD189733, HD149026, and HAT-P-2 are featured and interpreted. The overall performance of MaHPS is evaluated in direct comparison with measurements from the literature. In addition, experiences from the observation runs are summarized in order to reduce systematic measurement errors in the future. This work shows that MaHPS is able to reach precisions of a few m/s for radial velocity measurements. Furthermore, the signal of the RM effect for all observed objects could be detected, with a performance comparable to that of other spectrographs operated at telescopes of the 2m class. This finding forms the basis for future observation projects to detect hints of the RM effect for new objects, serving as starting point for observations with more precise instruments, in order to contribute to the understanding of planet formation mechanisms.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Keywords: astrophysics, spectroscopy, exoplanets, observations
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
• Fakultäten: Fakultät für Physik
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 22. März 2022
• 1. Bericht­erstatter:in: Saglia, Roberto Philip