Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1419
Main Title: Developing a ground-based search system for transits of extrasolar planets
Translated Title: Entwicklung eines bodengebundenen Suchsystems für Transits von extrasolaren Planeten
Author(s): Voß, Holger
Advisor(s): Rauer, Heike
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: 1995 begann mit der Entdeckung des ersten Exoplaneten, welcher einen sonnenähnlichen Stern umkreist, ein neues Kapitel in der Astronomie und Astrophysik. Die unerwartet kurze Umlaufzeit diesen Planeten 51 Peg b von 4.2 Tagen und die damit verbundene hohe Wahrscheinlichkeit der Bedeckung des Zentralsterns durch den Planeten eröffnete neue Perspektiven für die Transitsuche nach Exoplaneten. Mit der Entdeckung des ersten Transitexoplaneten HD 209458b 1999 wurde diese Entwicklung weiter forciert. Mit dem COROT-Satelliten wurde eine Weltraummission unter französischer Führung in Planung genommen, welche als ein Hauptziel die Suche nach Transits von Exoplaneten hat. Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt beteiligt sich unter anderem mit dem bodengebundenen Transit-Suchsystem Berlin Exoplanet Search Telescope (BEST) an der wissenschaftlichen Vorbereitung dieser Mission. In dieser Arbeit ist dieses System und seine erfolgreiche Inbetriebnahme an der Thüringer Landessternwarte (TLS) Tautenburg beschrieben. Zur Bearbeitung und Analyse der gewonnenen Daten wurde eine automatische Software erstellt. Desweiteren wurde eine Strategie zur Unterscheidung von realen planetaren Transitsignalen und ähnlichen Signalen entwickelt, welche durch andere physikalische Phänomene verursacht werden. Während der von der TLS durchgeführten Beobachtungskampagne wurden drei ausgewählte Zielfelder für insgesamt 90 Nächte beobachtet. Die gewonnenen Daten wurden kalibriert und photometrisch ausgewertet. Für bis zu 4000 Sterne/Nacht wurde eine photometrische Genauigkeit erreicht, um Transits von jupitergroßen Planeten um sonnenähnliche Sterne entdecken zu können. So konnten für fünf Sterne transitartige Signale gemessen werden, welche durch Planeten verursacht worden sein könnten. Mit Hilfe von Informationen aus Online-Datenbanken und Nachfolgebeobachtungen mit diversen Teleskopen konnten bisher für vier der beobachteten Signale nichtplanetare Ursachen bestimmt werden. Davon erwiesen sich drei Systeme als Bedeckungsveränderliche. Für ein System konnte die bedeckende Komponente als einer der weltweit kleinsten vermessenen M-Sterne identifiziert werden. Dieses Bedeckungssystem wird zur Erhöhung der Präzession der Messungen auch weiterhin beobachtet werden. Für Kandidat 5, einem M-Zwerg, dauern die Nachfolgeuntersuchungen und Beobachtungen weiterhin an. Die gewonnenen Daten wurden auch auf Veränderliche analysiert. 10 – 15 % der Sterne zeigten dabei Variabilität. Für 83 Veränderliche konnte die Art der Variabilität festgestellt werden, dies sind neue Entdeckungen. Für 53 Sterne wurde dabei die Periodizität der Veränderlichkeit konstatiert. 38 Sterne wurden als Bedeckungsveränderliche eingestuft. Außerdem wurde eine Analyse zur Optimierung von Transitsuchsystemen einschließlich BEST durchgeführt. Dabei wurden Empfehlungen zur optimierten Zielfeldauswahl, zur Erhöhung der Phasenabdeckung für mögliche Transitplaneten und zur technischen Optimierung der Systeme ausgesprochen. Weiterhin wurde basierend auf den heutigen technischen Möglichkeiten ein neues Suchsystem vorgeschlagen, welches eine deutlich höhere Entdeckungswahrscheinlichkeit für Transitplaneten aufweisen sollte als gegenwärtig benutzte Systeme.
The search for extrasolar planets is a relatively new field in astronomical and astrophysical sciences that was boosted by the first discovery of the exoplanet 51 Peg b in 1995 by radial velocity measurements. The short orbital period of 4.2 days determined for this giant exoplanet encouraged the accelerated development of another search method due to the high probability that such a Hot Jupiter planet would cross its host star in the line of sight yielding a photometrically detectable signal during this crossing. This transit method (also known as the occultation or eclipse method) measures such a darkening signal as an evidence for an orbiting planet allowing the determination of the radius of the planet. Combined with the information obtained with radial velocity measurements the mass and the density of the planet can be calculated. This unique opportunity to study detailed physical properties of exoplanets is advantageous compared to planets proven only by other search methods. In this thesis the establishing of the new ground-based transit survey Berlin Exoplanet Search Telescope (BEST) is described. This system consists of a 20cm Schmidt telescope and a CCD camera covering a field of view (FOV) of 3.1° x 3.1°. The set-up and the successful implementation of the BEST system are described in this work. Furthermore the developed strategies for the photometric observations, the calibration and analysis of the data, follow-up observations and their optimization are commented. During the 2-year observational campaign (2001-2003) from the Thüringer Landessternwarte (TLS) Tautenburg, Germany, three target fields were observed for 90 nights. The collected data was calibrated and analyzed by the developed automatic data pipeline. Photometric precision sufficient for detections of transits by Jupiter-sized planets orbiting Solar-like stars was obtained for several thousand stars. Five transit candidates were discovered in the data set. Two candidates were identified as eclipsing binaries; one of the secondaries was determined to be one of the smallest main sequence stars with a known radius. A blending scenario was identified for one transit candidate: an eclipsing binary was blended by two more stars observed in the same point spread function (PSF) of BEST. A fourth candidate host star for a transiting planet was found to be a giant star too large that a transit signal of a planet-sized object could be detected. Candidate 5 is still under investigation; a planetary origin of the observed signal could not be confirmed so far. Additionally variable stars were identified in the data set of the three observed target fields. Altogether 83 stars were identified as variable stars, all discoveries are new discoveries. For 53 of these variables periodic variability could be confirmed. Among the variables 38 objects were classified as eclipsing binaries. In this work it was analyzed how the detection rates of transit search systems can be maximized based on the knowledge obtained during BEST observations and from operational and proposed transit searches. Aspects of this optimization process were the analysis of the fraction of suitable targets stars in different magnitude ranges in typical target fields close and above the Galactic plane, the influence of stellar crowding, the maximization of the orbital phase coverage and the minimization of main noise sources worsening the photometric precision. The analysis showed that the BEST system allows higher detection rates for transits of exoplanets compared to other ongoing transit search systems. Nevertheless, as a result of this analysis, a new transit search system is proposed consisting of f/1 Schmidt telescopes with an aperture of 45cm able to monitor a FOV of 4.7° x 4.7° combined with a 4k CCD with a pixel size of nine μm. This system would combine the advantages of a wide FOV and a pixel scale well suited to monitor target fields close and above the Galactic plane.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-13541
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/1716
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1419
Exam Date: 15-Jun-2006
Issue Date: 24-Aug-2006
Date Available: 24-Aug-2006
DDC Class: 520 Astronomie und zugeordnete Wissenschaften
Subject(s): Extrasolar
Planeten
Teleskop
Extrasolar
Planet
Telescope
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