Suche nach extrasolaren Planeten durch Beobachtung von Transitzeitvariationen Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades doctor rerum naturalium (Dr. rer. nat.) vorgelegt dem Rat der Physikalisch-Astronomischen Fakultät der Friedrich-Schiller-Universität Jena von Dipl.-Phys. Stefanie Rätz geboren am 28. 01. 1984 in Bad Salzungen Gutachter 1. Prof. Dr. Ralph Neuhäuser Friedrich-Schiller-Universität Jena Physikalisch-Astronomische Fakultät Astrophysikalisches Institut und Universitäts-Sternwarte 2. Prof. Dr. Stefan Dreizler Georg-August-Universität Göttingen Fakultät für Physik Institut für Astrophysik 3. Prof. Dr. Heike Rauer Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) Berlin Institut für Planetenforschung Extrasolare Planeten und Atmosphären Tag der Disputation: 05.07.2012 Thesen zur Dissertation Suche nach extrasolaren Planeten durch Beobachtung von Transitzeitvariationen vorgelegt von Diplom-Physiker Stefanie Rätz ——————————————————————————————————————– 1. Homogene Beobachtung und Auswertung von Transitlichtkurven von sehr hoher Qualität kann zur Identifizierung von Transitzeitvariationen führen. Bei den boden- gebundenen Beobachtungen wurden nur Transitzeiten berücksichtigt, die in einer der an „Transit Timing Variations @ YETI” (TTV@YETI) beteiligten Sternwarten gewonnen wurden. Zusätzlich wurden Daten des NASA-Weltraumteleskops Kepler ausgewertet. 2. Starkes Defokussieren führt zu einer deutlichen Erhöhung der Qualität der Licht- kurven bei gegebenen Teleskop und Instrument. 3. Für den Transitplaneten TrES-2 wurden fünf Jahre Beobachtungen der Universitäts- Sternwarte Jena und von TTV@YETI zusammen mit sechs Beobachtungsquartalen von Kepler ausgewertet. Der lange Beobachtungszeitraum ermöglicht die sehr prä- zise Neubestimmung der Transitephemeriden. 4. Für insgesamt 210 Transits von TrES-2 wurde die Zeit des Transitmittelpunkte bestimmt. Die Transitzeiten zeigen weder Variationen auf langen noch auf kurzen Zeitskalen. 5. Die nahezu kontinuierlichen Beobachtungen von Kepler zeigen keine statistisch si- gnifikante Zu- oder Abnahme der Systemparameter. Auch die in früheren Publika- tionen prognistizierte Änderung der Inklination konnte nicht bestätigt werden. Im Rahmen der erreichten Genauigkeit kann allerdings ein leichter Anstieg auch nicht ausgeschlossen werden. 6. Die Zusammenfassung von 84 Kepler-Lichtkurven erzielt ein Signal-Rausch-Ver- hältnis von 761. Die Modellierung mit einer analytischen Lichtkurve und linearer Randverdunklung zeigt eine Abweichung von der beobachteten Lichtkurve, während das quadratische Randverdunklungsgesetz die Beobachtungen gut wiedergibt. 7. Die CCD-Kamera STK am 90/60 cm Teleskop der Universitäts-Sternwarte Jena ist durch ihr großes Gesichtsfeld ein exzellentes Gerät für die Beobachtung der Transits von WASP-14 b. 8. Zur Bestimmung der Systemparameter vom WASP-14 wurden fünf Transits zu- sammengefasst. Die Genauigkeit der Literaturwerte wurde erreicht. Anhand der Systemparameter wurden die physikalischen Eigenschaften des Systems berechnet. 9. WASP-14 b zeigt in Beobachtungen der Jahre 2009 und 2011 nach der Neubestim- mung der Ephemeriden Hinweise auf sinusförmige Transitzeitvariationen. Dieses Sig- nal konnte mit den neusten Beobachtungen Anfang 2012 nicht bestätigt werden. Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 1 1.1Transitmethode................................. 3 1.1.1 Geometrie................................ 3 1.1.2 Lichtkurvenform............................ 5 1.2Transitzeitvariationen.............................. 8 1.2.1 ZusätzlichePlaneten.......................... 9 1.2.2 Monde.................................. 12 1.2.3 Trojaner................................. 13 1.2.4 Lang-Zeit-Effekte............................ 14 1.3 Gezeiten und Exzentrizität . ......................... 16 1.3.1 Gebundene Rotation . ......................... 17 1.3.2 Zirkularisierung............................. 17 1.3.3 HeißeJupitermitExzentrizität.................... 18 1.3.4 MessungderExzentrizität....................... 19 2 Beobachtung und Auswertung 20 2.1Beobachtungen................................. 20 2.1.1 Universitäts-SternwarteJena...................... 21 2.1.2 TTV@YETI............................... 21 2.1.3 AuswahlderbeobachtetenTransitplaneten.............. 22 2.1.4 DefokussierteBeobachtungen..................... 25 2.2Datenreduktion................................. 27 2.3Fotometrie.................................... 28 2.3.1 Differentielle Fotometrie mit IRAF .................. 28 2.3.2 OptimaleAperturgröße......................... 29 2.3.3 DieMethodedeskünstlichenVergleichssterns............ 30 2.4Lichtkurvenanalyse............................... 30 2.4.1 Parameterkorrelationen......................... 31 2.4.2 VorgehensweisebeimFit........................ 32 2.4.3 Fehlerabschätzung........................... 33 2.5GenauigkeitderTransitbeobachtungen.................... 34 3TrES-2 36 3.1Beobachtungen................................. 38 3.2Auswertung................................... 38 3.2.1 Lichtkurvenanalyse........................... 40 3.2.2 Randverdunklung . ......................... 40 3.2.3 Beispiel: Lichtkurve vom 15. August 2009 ............... 41 i INHALTSVERZEICHNIS ii 3.2.4 Ergebnisse................................ 42 3.2.5 ZusätzlichesLichtvonschwachen,nahenObjekten.......... 45 3.3DatendesKeplerWeltraumteleskops..................... 47 3.3.1 Kepler Lichtkurvenausdem„NASAExoplanetArchive”...... 47 3.3.2 Beschreibung der verwendeten Kepler-Daten............. 48 3.3.3 Analyse der Kepler-Lichtkurven.................... 49 3.3.4 Effekt der Randverdunklung ...................... 50 3.4BestimmungderSystemparameter....................... 52 3.5ÄnderungderSystemparameter........................ 53 3.6PhysikalischenEigenschaftendesTrES-2-Systems.............. 55 3.7TransitTiming................................. 57 4WASP-14b 60 4.1Beobachtungen................................. 62 4.1.1 TTV@YETI............................... 62 4.1.2 CalarAlto................................ 64 4.2Auswertung................................... 65 4.2.1 Lichtkurvenanalyse........................... 66 4.2.2 Beispiel: Lichtkurve vom 29. März 2011 . ............... 67 4.2.3 Ergebnisse................................ 70 4.3BestimmungderSystemparameter....................... 71 4.4PhysikalischenEigenschaftendesSystems................... 73 4.5TransitTiming................................. 73 5 Zusammenfassung und Diskussion 78 A Zusätzliche Informationen 87 A.1 Einzelergebnisse aller Transits von Kepler .................. 87 A.2TransitzeitenTrES-2.............................. 92 A.3LichtkurvenvonTrES-2............................ 95 A.4LichtkurvenvonWASP-14b..........................102 Literatur 105 Danksagung 116 Lebenslauf 118 Abbildungsverzeichnis 1.1SchematischeDarstellungeinerTransitlichtkurve............... 4 1.2WinkelzwischenOberflächennormaleundSichtlinie............. 8 1.3TTVsaufgrundeineszusätzlicheninnerenPlaneten............. 10 1.4TTVsaufgrundeineszusätzlichenäußerenPlaneten............. 10 1.5 Masse des zusätzlichen Planeten als Funktion des Periodenverhältnisses . 11 1.6ZusammensetzungeinerExomond-Lichtkurve................ 12 1.7SkizzedesStern-Planet-Mond-Systems.................... 12 1.8PositionderLagrange-PunkteineinenOrbit................. 13 1.9 Schematische Darstellung der Wirkung von Gezeiten ............ 17 1.10 Die Verteilung der Exzentrizitäten als Funktion der großen Halbachse . 19 2.1 Teleskop Netzwerk TTV@YETI........................ 22 2.2VergleichvonfokussiertenunddefokussiertenBeobachtungen........ 26 2.3BestimmungderoptimalenApertur...................... 30 3.1 TrES-2 Lichtkurve vom 15. August 2009 ................... 42 3.2 Drei TrES-2 Lichtkurven vom 24.10.2010 ................... 45 3.3 TrES-2 Beobachtung vom 09.08.2011 mit CAFOS .............. 45 3.4AusschnitteinerSTKAufnahmeumTrES-2................. 46 3.5 Kepler Transit1ausQ0............................ 49 3.6 Gebinnte Lichtkurve von Kepler ........................ 50 3.7 Abbildung 3.6 gefittet mit 2 verschiedenen Modellen ............. 51 3.8ResiduenzwischenFitundModell....................... 51 3.9InklinationüberBeobachtungsepoche..................... 54 3.10HäufigkeitsverteilungfürInklination...................... 54 3.11SummedesfraktionellenRadiusüberBeobachtungsepoche......... 54 3.12HäufigkeitsverteilungfürSummedesfraktionellenRadius.......... 54 3.13RadiusverhältnisüberBeobachtungsepoche.................. 54 3.14HäufigkeitsverteilungfürRadiusverhältnis.................. 54 3.15 B − R überBeobachtungsepoche....................... 57 3.16 Häufigkeitsverteilung des B − R für Kepler .................. 57 3.17 B − R –Diagrammfüralle210ausgewertetenTransits........... 58 4.1 R-BandAufnahmevonWASP-14mitderCTK............... 63 4.2 R-BandAufnahmederSTKvonWASP-14.................. 63 4.3 V -BandCAFOS-AufnahmevonWASP-14.................. 64 4.43D-OberflächenprofilvonWASP-14mitCAFOS................ 64 4.5PartielleCAFOS-LichtkurvevonWASP-14b................. 65 4.6BesteWASP-14LichtkurvevonCAFOS................... 65 iii ABBILDUNGSVERZEICHNIS iv 4.7 WASP-14 Lichtkurve vom 29. März 2011 ................... 68 4.8 Lichtkurve von WASP-14 vom 1. April 2009 . ............... 70 4.9 Transit vom 20. März 2011 . ......................... 70 4.10GebinnteLichtkurvevonWASP-14b..................... 72 4.11 Periodogramm des B − R vonWASP14b................... 76 4.12 B − R –DiagrammfürWASP-14b...................... 76 4.13 B − R –DiagrammfürWertemithoherQualität.............. 77 4.14 B − R –DiagrammberechnetmitneuenElementen............