Sistemas Exoplanetarios Múltiples
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Presentado ante la Facultad de Matem´atica,Astronom´ıay F´ısica como parte de los requerimientos para obtener el t´ıtulode Licenciada en Astronom´ıade la Universidad Nacional de C´ordoba Sistemas Exoplanetarios M´ultiples Melissa Janice Hobson Directora: Mercedes G´omez Julio, 2015 Sistemas Exoplanetarios M´ultiples por Hobson, Melissa J. se distribuye bajo una Licencia Creative Commons Atribuci´on-NoComercial2.5 Argentina. Resumen Actualmente se conocen 473 sistemas exoplanetarios m´ultiples,de los cuales 51 poseen cuatro o m´asplanetas. En este trabajo, presentamos an´alisisestad´ısticosde las propiedades f´ısicastanto de las estrellas que los albergan como de los planetas que los componen, y de las configuraciones orbitales de estos sistemas. Separando los sistemas en chicos (dos o tres planetas) y grandes (cuatro o m´asplanetas), analizamos la metalicidad de las estrellas hu´espedes, agregando como un tercer grupo las estrellas que albergan Hot Jupiters. Estudiamos si los planetas est´anordenados preferentemente por tama~noen sus sistemas. Centr´andonosen los 51 sistemas m´asnumerosos, medimos la raz´onde tama~nosde los planetas y la compactez de los sistemas, y analizamos la posibilidad de una relaci´onentre estos par´ametros. Estudiamos la diversidad de los sistemas planetarios m´ultiplesactualmente conocidos en relaci´on al Sistema Solar. Investigamos las distribuciones espectrales de energ´ıade las estrellas que albergan sistemas planetarios m´ultiplesen busca de posibles discos debris1 en estos sistemas. Realizamos an´alisis comparativos de propiedades estelares y planetarias para los sistemas con y sin excesos en IR, y estimamos temperaturas y radios de los discos para los sistemas con excesos en dos o m´as filtros. 1Literalmente, discos \de escombros". Discos circunestelares formados por polvo y planetsimales; son rema- nentes del proceso de formaci´onplanetaria. 1 Abstract 473 multiple exoplanetary systems are currently known, of which 51 possess four or more planets. In this work, we present statistical analyses of the physical properties of both the host stars and the planets, and of the orbital configurations of these systems. Separating the systems in small (two or three planets) and large (four or more planets), we analyse the metallicity of the host stars, adding as a third comparison group the stars that host Hot Jupiters. We investigate if the planets are are ordered preferentially by size in their systems. Focusing on the 51 most populated systems, we measure the size ratio of the planets and the compactness of the systems, and analyse the possibility of a relationship between these parameters. We study the diversity of the currently known multiple planetary systems in relation to the Solar System. We investigate the spectral energy distributions of the stars hosting multiplanetary systems, searching for possible debris disks2 in these systems. We perform comparative analyses of ste- llar and planetary properties for the systems with and without IR excess, and estimate disk temperatures and radii for the systems with excesses in two or more filters. 2Circumstellar disks formed by dust and planetesimals; they are leftovers of the planetary formation process. 2 Agradecimientos A mi familia (los que est´any los que ya se fueron), que creyeron en m´ıy me acompa~naron a lo largo de este camino. A Mercedes, mi directora, que me gui´oen este proyecto. A mis amigos, que siempre estuvieron a mi lado. 3 ´Indice general Introducci´on 6 1 T´ecnicasde Detecci´on 7 1.1 Sistemas Planetarios . 7 1.2 T´ecnicasde Detecci´on . 8 1.2.1 Tr´ansitosPlanetarios y Variaci´onde Tiempos de Tr´ansito . 8 1.2.2 Velocidad Radial . 14 1.2.3 Imagen Directa . 16 1.2.4 Microlentes Gravitacionales . 18 1.2.5 Timing . 21 1.2.6 Astrometr´ıa. 22 2 Validaci´onde los Candidatos de Kepler 23 2.1 Introducci´on. 23 2.2 Marco Estad´ıstico . 24 2.3 An´alisisde Curvas de Luz . 25 3 Propiedades Estelares y Planetarias 28 3.1 Introducci´on. 28 3.2 Propiedades de las Estrellas . 29 3.2.1 Temperatura Estelar . 29 3.2.2 Masa Estelar . 30 3.2.3 Distancia Estelar . 30 3.3 Comparaci´onentre Sistemas Chicos y Grandes . 31 3.3.1 Metalicidad Estelar . 31 3.3.2 Orden Preferencial . 34 3.3.3 Suma de Masas o Radios Planetarios vs Masa o Radio Estelar . 35 3.4 Sistemas Grandes . 36 3.4.1 Raz´onde Tama~nos. 38 3.4.2 Compactez . 42 3.4.3 Relaci´onentre Compactez y Raz´onde Tama~nos. 43 3.4.4 Estabilidad - Radios de Hill . 45 3.4.5 \Ley" de Titius-Bode . 49 3.4.6 Comparaci´oncon el Sistema Solar . 52 3.5 Comentarios Finales . 54 4 Discos de Polvo 55 4.1 Introducci´on. 55 4.2 Excesos en Distribuciones Espectrales de Energ´ıa . 57 4.3 Sistemas Planetarios M´ultiplesCon y Sin Discos . 59 4.4 Par´ametrosde los Discos . 62 4.5 Comparaci´oncon la Literatura . 69 4.6 Comentarios Finales . 70 Conclusiones 72 4 Ap´endiceA Distribuciones Espectrales de Energ´ıapara Sistemas Exoplanetarios M´ultiplescon Excesos 73 Bibliograf´ıa 94 5 Introducci´on Actualmente (13/05/2015) se conocen m´asde 1900 planetas extrasolares en 1195 sistemas pla- netarios, de los cuales 473 son m´ultiples.Considerando esta gran muestra de sistemas planeta- rios, nos surgen varias preguntas: >Son similares al Sistema Solar? >Son parecidos entre ellos? >Qu´epatrones se pueden encontrar? El objetivo de este Trabajo Especial es, entonces, estudiar las propiedades f´ısicas de los sistemas planetarios conocidos a la fecha buscando similitudes y diferencias con el Sistema So- lar. No buscamos particularizar en cada sistema, sino realizar un an´alisiscomparativo de las caracter´ısticasgenerales. En el Cap´ıtulo1, se detallan las t´ecnicasde detecci´onde exoplanetas y se dan ejemplos de sistemas multiplanetarios encontrados con cada una. El Cap´ıtulo2 explica c´omose validan los candidatos planetarios de la misi´onKepler, con ´enfasis en la validaci´onestad´ısticade sistemas m´ultiples.Este enfoque permiti´o,en 2014, incrementar la muestra de sistemas exoplanetarios m´ultiplesen m´asdel 50 %, lo cual fue de gran importancia para el desarrollo de este trabajo. Los Cap´ıtulos3 y 4 contienen nuestros an´alisissobre la muestra de sistemas exoplanetarios m´ultiples.En el Cap´ıtulo3, se divide a los sistemas planetarios, seg´unla cantidad de planetas, en sistemas chicos (2 o 3 planetas) y sistemas grandes (4 o m´asplanetas). Se estudian comparati- vamente propiedades estelares - masa, temperatura, distancia al Sol, metalicidad - y planetarias - existencia de un orden preferencial, suma total de masas planetarias para cada sistema. Luego, nos concentramos espec´ıficamente en los sistemas grandes e investigamos una serie de propieda- des: la variaci´onde tama~nosde los planetas, cu´ancompactos son los sistemas (es decir, qu´etan cercanos son los planetas entre s´ı),la estabilidad de estos sistemas y la posible existencia de \leyes" de Titius-Bode en los mismos. Finalmente, realizamos una comparaci´oncon el Sistema Solar. Adem´asde una estrella y ocho planetas, el Sistema Solar comprende una gran cantidad de cuerpos menores. La mayor´ıade estos forman parte del cintur´onde asteroides o del cintur´on de Kuiper, objetos que se pueden considerar an´alogosa los discos debris, o discos de polvo, detectados en otras estrellas. En el Cap´ıtulo4 se presenta una b´usquedade evidencias de discos debris en sistemas exoplanetarios m´ultiples,y se exploran algunas caracter´ısticastanto de los potenciales discos como de las estrellas que los albergan. 6 Cap´ıtulo1 T´ecnicas de Detecci´on 1.1 Sistemas Planetarios La primer detecci´onde exoplanetas data de 1992, cuando Wolszczan & Frail (1992) descubrieron un sistema de dos planetas orbitando el pulsar PSR1257 + 12. Hubo que esperar tres a~nospara que se encontrara un planeta en una estrella de secuencia principal, cuando Mayor & Queloz (1995) anunciaron el descubrimiento de 51 Peg b. Desde entonces, se han encontrado miles de planetas mediante un variado conjunto de t´ecnicas de detecci´on.Al 13 de Marzo de 2015, se conoc´ıan1900 planetas extrasolares en 1195 sistemas. En la Figura 1.1, se presenta un gr´aficode los sistemas planetarios conocidos seg´unel n´umerode planetas detectado en cada uno de ellos. Figura 1.1: Sistemas exoplanetarios seg´uncantidad de planetas. Las t´ecnicasusadas para encontrar estos sistemas son: tr´ansitosplanetarios y variaci´onde tiempos de tr´ansito,velocidad radial, imagen directa, microlentes gravitacionales, timing, y as- trometr´ıa.En la Figura 1.2, se muestra un gr´aficode la cantidad de planetas encontrados por cada t´ecnica.Podemos notar que las t´ecnicasde tr´ansitoy de velocidad radial han sido por mucho las m´asproductivas. 7 Figura 1.2: Cantidad de exoplanetas detectados por las distintas t´ecnicas. 1.2 T´ecnicas de Detecci´on En esta secci´onse desarrollan las diferentes t´ecnicasde b´usquedade exoplanetas y se presenta, a modo de ejemplo, un sistema planetario hallado con cada una. 1.2.1 Tr´ansitosPlanetarios y Variaci´onde Tiempos de Tr´ansito La t´ecnicade tr´ansitosplanetarios se basa en la observaci´onde la ca´ıdade luz de una estrella provocada por un planeta que transita, es decir, que pasa entre la estrella y el observador (Figura 1.3). Es la t´ecnicacon mayor cantidad de descubrimientos, como se ve en la Figura 1.2. En la Figura 1.4 se presentan los sistemas encontrados mediante tr´ansitosplanetarios, junto con una t´ecnicaasociada (variaci´onde tiempos de tr´ansito)a la cual nos referiremos al final de la presente secci´on. Figura 1.3: Curva de luz de una estrella con un planeta transitante (Cr´edito:ESA / Hans Deeg). 8 Figura 1.4: Sistemas exoplanetarios detectados mediante tr´ansitosplanetarios y variaci´onde tiempos de tr´ansito.