Transiting extrasolar planets and star-planet interaction

Mgr. Tereza Krejčová, Ph.D.

Doctoral thesis

Abstract:

Tato dizertační práce se zabývá studiem extrasolárních planet. První část se věnuje analýze světelných křivek tranzitujících exoplanet. Je zde popsán postup pro získání fyzikálních a orbitálních parametrů exoplanety z naměřených dat, v tomto případě z pozorovaných tranzitů dvou exoplanetárních systémů Wasp-10 a TrES-3. Zpracována jsou zde fotometrická data ze dvou rozdílných přístrojů-50cm dalekohledu ve Staré Lesné na Slovensku a z 2.2m dalekohledu na observatoři Calar Alto ve Španělsku. Poslední sekce první kapitoly se zabývá modelováním části světelné křivky mezi primárním a sekundárním zákrytem exoplanetárního systému KOI-13.01. Změny této části křivky které jsou extrémně malé, jsou způsobeny kombinací více faktorů, jako jsou světelné změny způsobené odrazem světla z hvězdy od planety, elipsoidálními variacemi hvězdy, tepelným zářením planety a tzv. boosting jevem. Ke studiu takovýchto variací světelné křivky jsou zapotřebí přesná fotometrická data dosažitelná pouze z vesmíru. Pro ověření modelu světelných změn mimo primární a sekundární tranzit jsou proto použita data z družice Kepler. Výsledkem je určení rozmezí hodnot Bondova albeda planety a účinnosti přenosu tepla po povrchu planety. Druhá kapitola této práce je věnována interakci mezi hvězdou a planetou. Předpokládá se, že exoplanety obíhající hvězdu ve velmi malé vzdálenosti-řádově desetiny astronomické jednotky-mohou díky slapové nebo magnetické interakci ovlivňovat vrchní vrstvy atmosféry hvězdy. Zaměřili jsme se na výzkum jádra čar CaII H a K, které se formují ve chromosféře a mohou být těmito efekty ovlivněny. Hledali jsme vzájemnou souvislost mezi chromosférickou aktivitou hvězdy popsanou dvěma různými indikátory-ekvivalentní šířkou jádra absorpčních čar CaII K a parametrem log R'hk-a vybranými parametry exoplanetárního systému, především velkou poloosou, hmotností planety a teplotou hvězdy. Vzorek obsahuje více než 200 exoplanetárních systémů. Pro tento účel byla použita spektra z archivu dalekohledu Keck a vlastní naměřená data pořízená na 2.2m dalekohledu Evropské jižní observatoře na La Sille v Chile. Výsledkem bylo nalezení statisticky významné indikace, že chladné hvězdy (Teff<5500 K) s blízkými exoplanetami (a<0.15 AU) jsou více chromosfericky aktivní než hvězdy kolem kterých obíhají exoplanety ve velkých vzdálenostech.

Abstract:

The focus of this thesis is extrasolar planets. The first chapter is devoted to the analysis of transiting exoplanet light curves and the process followed to determine the physical and orbital parameters of the system from its measured light curve. In the first sections of Chapter 1, we describe observations and consequent data analysis of exoplanetary systems Wasp-10 and TrES-3. Two different telescopes were used, the 50cm telescope, located at Stara Lesna, Slovakia and the 2.2m telescope, located at the Calar Alto Observatory in Spain. The last section of the first chapter is focused on the modelling of the out-of-eclipse light curve of exoplanetary system KOI-13.01. The changes in this part of the light curve are extremely small and are caused by a combination of several effects, such as the reflection of the light from the exoplanet and its dependence on the phase angle, ellipsoidal variations of the star, the thermal emission from the planet, and the doppler boosting effect. Such variations in the light curve require a very precise photometry and are observable from the space only. Data from the Kepler Mission were used for the verification of the model of the out-of-eclipse light curve. As a result, the constraints on the Bond albedo of the exoplanet and on the heat redistribution over the planetary surface were set. In the second chapter the interaction between the star and exoplanet is studied. Exoplanets orbiting close enough to their parent stars-in tenths of an astronomical unit-can interact with the upper layers of their stars' atmospheres via tidal or magnetic interaction. We search for the imprints that these effects can leave in the cores of CaII H and K absorption lines, which are formed in the chromosphere of the star. We studied the correlations between the chromospheric activity represented by two different indicators-the equivalent width of the core of CaII K line and the log R'hk parameter-and selected parameters of the star-exoplanet systems, mainly semi-major axis, planetary mass, and stellar temperature. The sample consists of more than 200 stars with exoplanets. For this purpose the spectra from the Keck HIRES archive and data obtained with the 2.2m telescope of the European Southern Observatory at La Silla in Chile were used. We found a statistically significant evidence, that cool stars (Teff<5500 K) with close-in exoplanets (a<0.15 AU) are more chromosphericaly active than stars with exoplanets at more distant orbits.

Keywords

Extrasolar planet, light curve, transit, CCD photometry, out-of-eclipse variation, reflection effect, star--planet interaction, CaII H and K line, log R'hk parameter, statistical test

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 20. 5. 2013

Thesis defence

• Date of defence: 27. 6. 2013
• Supervisor: RNDr. Ján Budaj, CSc.
• Reader: Mgr. Marie Hrudková, PhD., Evgenya Shkolnik, Dr.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Physics (4-years) / Theoretical Physics and Astrophysics