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Exploring alien skies
detection and characterisation of exoplanetary atmospheres with ground-based transmission spectroscopy
Sedaghati, Elyar
Characterisation of extra-solar planets is hot business. Since the first discoveries of these alien worlds merely a couple of decades ago, we have made huge progress in understanding and differentiating their physical properties. Of those aspects, the atmosphere has proved to be the most interesting characteristic. Not only does it lead to better understand the interior of a planet and its formation process and history, it also provides us with a channel through which possible signs of biological life on those worlds capable of harbouring them can be detected. This cumulative thesis highlights mainly results from three published first-author publications, as well as a further study currently under review, all of which are presented in peer-reviewed journals. The atmospheres of the three planets in the hot Jupiter regime, those the size of Jupiter and very close to their host stars, are studied with the technique of transmission spectroscopy.
Sedaghati et al. (2017) utilises the FORS2 instrument, at the VLT, data from ESO's archive to perform transmission spectroscopy in the presence of systematic effects introduced by the old, degraded prisms of the atmospheric dispersion corrector. Gaussian Process methods are used to model the correlated noise in the transit light curves of the exoplanet WASP-80b and estimate the contribution from various sources of red noise. From the obtained transmission spectrum, the presence of molecular species, that lead to enhanced absorption in the infra-red domain, is rejected. Additionally neutral, atomic potassium is detected from absorption both in the line cores and the pressure-broadened wing. Both of these conclusions are made at high statistical signifi cance ( >> 5σ ).
Sedaghati et al. (2015) is a letter which briefly presented the improvements made to transmission spectroscopic observations performed with FORS2 and provided the community with the impetus to once again return to this instrument for such observations. Since then, there has been an unprecedented number of publications announcing a variety of exo-atmospheric detections with this instrument. In a study currently under review, WASP-19b observations of this work are utilised together with two further observations of this target with near-UV and near-IR grisms of FOR2 to obtain a complete optical and high resolution transmission spectrum of this planet. With the aid of highly specialised observational and analysis techniques, as well as atmospheric retrieval methods, this work makes the very first signifi cant detection of a metal oxide (TiO) in the atmosphere of an exoplanet. This fi nding sheds new light on hot exo-atmosphere thermal inversion theories. Additionally, there is also signi ficant detections of H2O and strong scattering hazes. Finally, Sedaghati et al. (2016) is the study of the atmosphere of WASP-17b, the exoplanet with one of the largest expected atmospheric signals in transmission. In this work, presence of potassium in the upper atmosphere is signifi cantly detected from enhanced absorption in the pressure broadened wings of the line core. Additionally, there is very marginal evidence for the presence of sodium in the atmosphere, which had previously been claimed to have been discovered.
The works presented here make valuable contributions to a very limited sample of exoplanetary atmosphere detections. Together they present a benchmark for an optimal approach to performing transmission spectroscopy from the ground and show the capabilities of the FORS2 instrument in performing such studies. The methodology provides a conservative, and subsequently realistic, approach to estimating the fi nal parameter precisions and fully accounts for the contribution of systematic noise in a non-parametric manner. Hence, any atmospheric claim made in this work constitutes a robust statistical detection.
Die Charakterisierung extrasolarer Planeten ist ein viel diskutiertes Thema.
Seit der ersten Entdeckung dieser fremden Welten vor nur ein paar Jahrzehnten, gab es großartige Fortschritte im Verstehen und Unterscheiden ihrer physikalischen Eigenschaften. Von all diesen ist die Atmosphäre die wahrscheinlich interessanteste. Wir erhalten nicht nur ein besseres Verständnis vom Inneren des Planeten, seiner Entstehungsprozesse und seiner Geschichte, sondern auch zusätzliche Informationen über mögliche Zeichen von biologischem Leben.
Die vorliegende kumulative Arbeit beleuchtet haupts ächlich die Resultate von drei bereits publizierten Erstautor Schriften, sowie einer, sich derzeit noch im Review Prozess befindlichen, weiteren Studie. Alle hier präsentierten Arbeiten beschäftigen sich mit den Atmosphären von drei Exoplaneten im sogenannten "hot Jupiter" Regime. Für ihre Analyse wurde das Transmission-Spektroskopie Verfahren verwendet.
In Sedaghati et al. (2017) wurden Transmission-Spektroskopie FORS2 Archivdaten aus der ESO Datenbank benutzt. Diese Daten beinhalten systematische Effekte die durch das Verwenden von älteren, degradierten Prismen des atmosphärischen Dispersion Korrektors entstehen. Mit der Gauss-Prozess Methode wird korreliertes Rauschen in der Transit-Lichtkurve des Exopläneten WASP-80b modelliert und der Beitrag der verschiedenen Quellen von rotem Rauschen abgeschätzt.
Die Präsenz von Molekülen führt zu gesteigerter Absorption im infraroten Bereich. Aus diesem Grund werden diese aus dem Transmission Spektrum herausgerechnet. Neutrales, atomares Kalium konnte sowohl im Spektrallinienkern als auch im druckverbreiterten Flügel nachgewiesen werden. Beide Ergebnisse sind statistisch signifikant (>> 5σ ).
In Sedaghati et al. (2015) werden die Fortschritte der Transmissions-Spektroskopie mit dem FORS2 Instrument am VLT vorgestellt und damit neuer Antrieb für die Nutzung dieses Instruments für solche Beobachtungen geliefert. Seitdem gibt es eine beispiellose Anzahl an Publikationen, welche eine Vielzahl an exo-atmosphärischen Entdeckungen mit diesem Instrument melden. In der Studie, welche momentan geprüft wird, werden WASP-19b Messungen aus den vorhergehenden Arbeiten benutzt und mit zwei weiteren Messungen im nahen UV und IR Bereichs mit Gitterprismen des FOR2 Instruments gekoppelt. Damit entsteht ein vollständiges optisches und hoch aufgelöstes Transmissions Spektrum dieses Planeten. Mit Hilfe von spezialisierten Beobachtungs- und Analysetechniken, sowie atmosph ärischen Wiedergewinnungsverfahren, ist dies die erste signifi kante Beobachtung von Metalloxid (TiO) in der Atmosphäre von Exoplaneten. Dieser Fund wirft neues Licht auf "hot exo-atmosphere thermal inversion" Theorien. Zusätzlich können signifikante Mengen von H2O und stark streuendem Dunst beobachtet werden.
In Sedaghati et al. (2016) wird eine ausführliche Studie der Atmosphäre von WASP-17b dargestellt. Von WASP-17b wird erwartet, dass er eines der größten atmosphärischen Signale in Transmission hat. In dieser Arbeit wird die Präsenz von Kalium in der oberen Atmosph äre signifi kant nachgewiesen durch verstärkte Absorption im druckverbreiterten Linienflügel der Spektrallinie. Zusätzlich gibt es marginale Anzeichen für die Präsenz von Natrium in der Atmosphäre. Dies wurde bereits in einer anderen Studie festgestellt.
Die hier präsentierten Arbeiten liefern einen wertvollen Beitrag zu sehr eingeschränkten Proben von exoplanetaren Atmosphären. Sie sind ein Maßstab für einen optimalen Einsatz des bodengebundenen Transmission-Spektroskopie Verfahrens und beweisen das Potential des FORS2 Instruments am VLT für solche Studien. Diese Methode liefert einen konservativen, durchgehend realistischen Ansatz zur Abschätzung der Parameter Genauigkeit unter Berücksichtigung von systematischem Rauschen mit einer nicht-parametrisiertem Methode. Daraus folgt, dass jegliche These die in dieser Arbeit dargestellt wird eine statistisch robuste Entdeckung darstellt.
