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Determinación De Períodos De Rotación En Estrellas Enanas De Tipo Espectral M Y Búsqueda Y Caracterización De Sistemas Planetarios Con Técnicas Fotométricas

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Determinación De Períodos De Rotación En Estrellas Enanas De Tipo Espectral M Y Búsqueda Y Caracterización De Sistemas Planetarios Con Técnicas Fotométricas UNIVERSIDAD COMPLUTENSE DE MADRID FACULTAD DE CIENCIAS FÍSICAS TESIS DOCTORAL Determinación de períodos de rotación en estrellas enanas de tipo espectral M y búsqueda y caracterización de sistemas planetarios con técnicas fotométricas MEMORIA PARA OPTAR AL GRADO DE DOCTOR PRESENTADA POR Enrique Díez Alonso Directores Francisco Javier de Cos Juez David Montes Gutiérrez Madrid © Enrique Díez Alonso, 2019 UNIVERSIDAD COMPLUTENSE DE MADRID TESIS DOCTORAL Determinación de períodos de rotación en estrellas enanas de tipo espectral M y búsqueda y caracterización de sistemas planetarios con técnicas fotométricas Memoria que presenta: Supervisores: Enrique Díez Alonso Prof. Francisco Javier de Cos Juez Prof. David Montes Gutiérrez Memoria presentada para aspirar al grado de Doctor en Astrofísica en la Facultad de CC. Físicas Departamento de Física de la Tierra y Astrofísica 12 de junio de 2019 III Agradecimientos Este trabajo ha sido posible gracias a la ayuda y consejo prestado por mis directores, Javier de Cos Juez y David Montes Gutiérrez. Ha sido clave el trabajo de Rafael Re- bolo López y su equipo, de Jose Antonio Caballero Hernández, y de mis compañeros Sergio Luis Suárez Gómez y Carlos González Gutiérrez. Este es también lugar para agredecer el cariño y ayuda de mis compañeros y ami- gos de la Sociedad Astronómica Asturiana Omega, a Carolina por apoyarme siempre, a Lorenzo, y a mis padres. V Resumen Contexto En la búsqueda y estudio de planetas tipo Tierra, las estrellas enanas M son ob- jetivos primarios. Esto es así ya que suman el 70 % de las estrellas de la Galaxia, y los planetas tipo Tierra tienden a ser más abundantes según la masa de las estrellas decrece. Además, la detección de planetas en estas estrellas presenta ventajas; las señales en velocidad radial inducidas son más fuertes, y en el caso de que los pla- netas transiten, las disminuciones de brillo son también más profundas. Al ser estas estrellas menos luminosas, sus zonas de habitabilidad se encuentran próximas, de manera que los planetas que las orbiten en zona de habitabilidad (susceptibles de mantener agua líquida, condición necesaria para la aparición de la vida tal y como la entendemos en la Tierra), tendrán períodos orbitales cortos, lo que favorece su detección. Estos planetas son además objetivos ideales para la caracterización de at- mósferas potencialmente habitables mediante espectroscopía de transmisión. El bajo brillo de estas estrellas en el visible ha sido un inconveniente para su es- tudio en velocidad radial con anteriores espectrógrafos. Ahora bien, gracias a instru- mentos como CARMENES, específicamente diseñado para la detección de planetas en este tipo de estrellas combinando los canales visible e infrarrojo, o MEarth, que observa enanas M para detectar planetas mediante tránsitos, el número de enanas M incluidas en los surveys de búsqueda de exoplanetas ha ido en aumento. Determinar el período de rotación de las enanas M en las que se buscan exopla- netas con el método de la velocidad radial es crucial, ya que la actividad magnética induce señales semejantes a las inducidas por exoplanetas. Afortunadamente, la va- riabilidad fotométrica que provocan las regiones de actividad en este tipo de estrellas al rotar, nos permite determinar sus períodos de rotación, ya sea recopilando curvas de luz de cierta extensión temporal en surveys públicos, o realizando un seguimien- to fotométrico del que obtener las curvas. Además, en las curvas de luz extraidas de surveys diseñados para detectar exoplanetas mediante tránsitos (como K2, MEarth o SuperWASP), podremos investigar la presencia de los mismos, y por lo tanto de- tectar candidatos a exoplanetas. Objetivos y metodología En el primer artículo, investigamos la fotometría de 337 estrellas monitorizadas en velocidad radial por CARMENES, recopilando curvas de luz en surveys públi- cos y realizando observaciones propias para 20 estrellas. El objetivo era determinar los períodos de rotación fotométricos de las mismas para identificar las señales en velocidad radial inducidas por la actividad estelar y para entender cómo la rotación se relaciona con parámetros físicos de estas estrellas. De todas las curvas de luz se obtuvo su periodograma Lomb – Scargle para identificar señales que asociamos a la rotación estelar. En el segundo, tercer y cuarto artículo, presentamos los resultados de investigar las curvas de luz de las enanas M de las temporadas 13, 14 y 15 del Telescopio Espa- cial Képler en su misión K2, con el fin de detectar, confirmar y caracterizar planetas VI de interés en estas estrellas (planetas tipo Tierra, sistemas con varios planetas, pla- netas en zona de habitabilidad), susceptibles de un seguimiento posterior en veloci- dad radial con instrumentos específicos (como CARMENES) para la determinación de sus masas, o con otros (como el James Webb Telescope) para su caracterización atmosférica. Las curvas de luz fueron analizadas con el método Box Least Squares para identificar posibles tránsitos. Los falsos positivos se descartaron obteniendo imágenes de alta resolución, investigando imágenes de archivo y mediante técni- cas de validación estadística. Identificados los candidatos y descartados los falsos positivos, se procedió a la caracterización de las estrellas mediante la obtención de espectros y su comparación con modelos teóricos, así como a partir de relaciones empíricas. Por último, los parámetros de los planetas se obtuvieron ajustando mo- delos teóricos de tránsitos planetarios mediante cadenas de Markov y métodos de Montecarlo. Resultados En el primer artículo se presentan 622 curvas de luz para un total de 334 estrellas, identificando 142 períodos de rotación, 73 de los cuales no se conocían previamente en la literatura, mientras que los 69 restantes coinciden con los períodos de rotación previamente publicados. Además, se encontraron 10 señales identificadas como ci- clos de larga actividad, 6 de los cuales son nuevas determinaciones. Se investigó además la relación entre período de rotación y ciclo de actividad, no encontrando correlación entre ambos. No se encontró el gap en la distribución de los períodos de rotación citado en literatura previa en ∼30 d. Se investigó la rela- ción entre el período de rotación e indicadores de actividad, encontrando una fuerte relación entre ambos, y se investigó la relación de la amplitud de la variabilidad fotométrica con el período de rotación e indicadores de actividad, no encontrando relación entre ellos. También se indentificaron tres estrellas muy activas con perío- dos de rotación determinados por vez primera. En el segundo y tercer artículo se presenta la detección, confirmación y caracte- rización de tres sistemas planetarios en las estrellas K2-155, K2-239 y K2-240; K2-155 cuenta con tres super-Tierras, orbitando K2-155 d próximo al límite interior de la zona de habitabilidad. K2-239 cuenta con un sistema de tres planetas tipo Tierra en una configuración compacta y resonancia 2:3:4, mientras que K2-240 cuenta con un sistema de dos super-Tierras. En el cuarto artículo se presenta la detección, confirmación y caracterización de una super-Tierra orbitando la región interna de la zona de habitabilidad de la estre- lla K2-286. Establecemos que la estrella presenta menos actividad que otras estrellas similares, por lo que K2-286 b podría experimentar un ambiente más benigno que otros planetas en zona de habitabilidad de enanas M. A partir de espectros adquiri- dos, ponemos una cota superior a la masa del planeta, excluyendo que se trate de un gigante gaseoso. Comparamos además este planeta con otros planetas similares en estrellas M, encontrando que es más frío que la mayoría de los exoplanetas con ra- dio y masa bien determinados. También discutimos la importancia que este planeta puede tener para entener el gap de Fulton en la distribución de radios. VII Abstract Context In the search and study of Earth-like planets, M dwarfs are primary targets. The- se stars account for the 70 % of the population in the Galaxy, and the frequency of terrestrial planets increase as the mass of the stars decreases. In addition, the de- tection of planets in these low mass stars presents advantages; the induced radial velocity signals are stronger, and in the case of transits, the dimmings are deeper. Due to the low luminosities, their habitability zones are closer, so planets orbiting within the habitable zone (and susceptible to support liquid water, a necessary con- dition for the appearance of Earth-like life) will have short orbital periods, favoring their detection. These planets are also suitable targets for the characterization of po- tentially habitable atmospheres by transmission spectroscopy. For these reasons, the number of M dwarfs included in exoplanet-search surveys, has increased. Nowadays, instruments such as CARMENES, are specifically desig- ned for the detection of planets in this type of stars by radial velocity searches, or MEarth, which observes M dwarfs to detect planets by the transit method. Knowledge of the rotation period of the M dwarfs in these surveys is neces- sary (specially in radial velocity surveys such as CARMENES), since signals indu- ced by the magnetic activity are similar to those induced by exoplanets. Fortunately, the photometric variability due to activity regions of M dwarfs and stellar rotation, allows us to determine their rotation period, either collecting light curves from pu- blic surveys (such as K2, MEarth or ASAS), or carrying out photometric monitoring to extract the curves. In addition, in light curves obtained from surveys designed to detect exoplanets by the transit method (such as K2, MEarth or SuperWASP), we can search for transit signatures, and therefore detect exoplanet candidates. Aims and Methodology In the first publication, we investigated photometric time series of 337 stars mo- nitored by CARMENES, compiling light curves from public surveys and performing observations for 20 stars. The goal was to determine the photometric rotation periods of these stars to identify the radial velocity signals induced by stellar activity, and to improove our understanding of the relation of the rotation period with other ste- llar parameters.
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    Gravitational Lensing from a Spacetime Perspective Volker Perlick Physics Department Lancaster University Lancaster LA1 4YB United Kingdom email: [email protected] Abstract The theory of gravitational lensing is reviewed from a spacetime perspective, without quasi-Newtonian approximations. More precisely, the review covers all aspects of gravita- tional lensing where light propagation is described in terms of lightlike geodesics of a metric of Lorentzian signature. It includes the basic equations and the relevant techniques for calcu- lating the position, the shape, and the brightness of images in an arbitrary general-relativistic spacetime. It also includes general theorems on the classification of caustics, on criteria for multiple imaging, and on the possible number of images. The general results are illustrated with examples of spacetimes where the lensing features can be explicitly calculated, including the Schwarzschild spacetime, the Kerr spacetime, the spacetime of a straight string, plane gravitational waves, and others. arXiv:1010.3416v1 [gr-qc] 17 Oct 2010 1 1 Introduction In its most general sense, gravitational lensing is a collective term for all effects of a gravitational field on the propagation of electromagnetic radiation, with the latter usually described in terms of rays. According to general relativity, the gravitational field is coded in a metric of Lorentzian signature on the 4-dimensional spacetime manifold, and the light rays are the lightlike geodesics of this spacetime metric. From a mathematical point of view, the theory of gravitational lensing is thus the theory of lightlike geodesics in a 4-dimensional manifold with a Lorentzian metric. The first observation of a ‘gravitational lensing’ effect was made when the deflection of star light by our Sun was verified during a Solar eclipse in 1919.
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