Direct imaging of cold and temperate exoplanets in reflected starlight

dc.contributor.advisorBreitschwerdt, Dieter
dc.contributor.authorCarrión González, Óscar
dc.contributor.grantorTechnische Universität Berlinen
dc.contributor.refereeBreitschwerdt, Dieter
dc.contributor.refereeRauer, Heike
dc.contributor.refereeGarcía Muñoz, Antonio
dc.contributor.refereeRibas, Ignasi
dc.contributor.refereeQuanz, Sascha
dc.date.accepted2022-03-25
dc.date.accessioned2022-06-15T11:25:35Z
dc.date.available2022-06-15T11:25:35Z
dc.date.issued2022
dc.description.abstractAlmost five thousand extrasolar planets have been confirmed to date, with thousands of additional candidates and tens of thousands more predicted to be discovered by upcoming facilities. After exoplanet discoveries have become routine, the next milestone is characterizing the atmospheres of a significant number of these worlds. The observing techniques that are currently available have biased the discovery and atmospheric characterization of exoplanets towards hot, giant planets on short-period orbits. Direct-imaging observations of exoplanets in reflected starlight will enable the characterization of cold and temperate long-period planets and their atmospheres. Characterizing this population of planets, which has remained out of reach for current techniques, is a key to understand the diversity of exoplanets and their formation and evolution processes. The first direct-imaging measurements in reflected starlight are expected within this decade. In parallel to the technological development required, a theory effort is needed to anticipate the scientific outcome of these observations. This PhD thesis addresses the physical fundamentals of reflected-starlight observations in order to derive practical conclusions for the planning and interpretation of the upcoming measurements. This work analyses the prospects for atmospheric characterization of exoplanets from reflected-starlight spectra with different observing strategies. It also predicts which of the known planets are potentially observable by these facilities, computing both the number of targets and some of their properties. For these goals, novel methodologies have been developed, leading to findings that have been published as three first-authored papers enclosed in the dissertation. Carrión-González et al. (2020) –Paper I– presents a new atmospheric retrieval framework designed for direct-imaging measurements in reflected-starlight. This is used to analyse the information about the planetary atmosphere contained in the reflected-light spectra. This framework includes model parameters especially relevant for this technique such as the planet radius, which will generally be unknown for directly-imaged exoplanets. By doing so, new parameter correlations are found which had not been previously reported. In particular, the uncertainties in the planet radius trigger correlations with atmospheric parameters such as the cloud optical properties or the abundance of gaseous species. Therefore, even if the planet radius is not an atmospheric parameter itself, it will play a key role in the atmospheric characterization. Carrión-González et al. (2021b) –Paper II– analyses possible observing strategies to overcome these parameter correlations and improve the atmospheric characterization. The retrieval framework from Paper I is extended to enable the combination of multiple measurements. This is used to determine the potential of observing at different star-planet-observer phase angles and combining the information contained at each phase. Combining measurements at small and large phases (around 40º and 120º, respectively) is found to effectively mitigate the correlations triggered by an unknown planet radius. This strategy improves the atmospheric characterization of the planet and also yields accurate estimates of the planet radius. The physical reasons of this improvement are also analysed. The asymmetries of the scattering function of the atmospheric aerosols are found to be a main cause of these improvements in multi-phase retrievals. Carrión-González et al. (2021a) –Paper III– develops a new statistical methodology to compute the probability of known exoplanets to be potentially observable with direct-imaging telescopes. This method uses the data compiled by the NASA Exoplanet Archive and accounts for the parameter uncertainties reported therein. It also supports incomplete orbital information and an unknown planet radius for non-transiting planets. This general method is applied to the upcoming Nancy Grace Roman Space Telescope’s coronagraph to analyse the population of planets accessible by this instrument. Additional outputs are produced to help in the target prioritization, such as the range of observable phase angles for each planet which, as shown in Paper II, affects the atmospheric characterization prospects. In summary, this thesis addresses fundamental questions of the physics behind reflected-starlight observations. Its findings will help plan these observations and correctly interpret their scientific content. Both the methods developed and the findings will remain applicable to upcoming and future direct-imaging facilities in order to understand their scientific outcome.en
dc.description.abstractBislang wurden fast 5000 extrasolare Planeten bestätigt, Tausende Kandidaten kommen hinzu. Zehntausende weitere Planeten werden voraussichtlich von zukünftigen Missionen entdeckt werden. Nachdem die Entdeckung von Exoplaneten zur Routine geworden ist, ist der nächste Meilenstein, die Atmosphären von einer signifikanten Anzahl dieser Welten zu charakterisieren. Die derzeit verfügbaren Beobachtungstechniken bevorzugen die Entdeckung und atmosphärische Charakterisierung von heißen Riesenplaneten auf kurzperiodischen Bahnen. Die Technik der direkten Beobachtung von Exoplaneten im reflektierten Sternenlicht wird die Charakterisierung von kalten und gemäßigten Planeten mit langer Umlaufzeit und deren Atmosphären ermöglichen. Die Charakterisierung dieser Planetenpopulation, die für die derzeitigen Techniken unerreichbar ist, ist ein Schlüssel zum Verständnis der Vielfalt der Exoplaneten und ihrer Entstehungs- und Entwicklungsprozesse. Die ersten direkten Messungen von Planeten im reflektierten Sternenlicht werden noch in diesem Jahrzehnt erwartet. Parallel zur erforderlichen technologischen Entwicklung sind theoretische Untersuchungen erforderlich, um die wissenschaftlichen Ergebnisse dieser Beobachtungen zu antizipieren. Diese Doktorarbeit befasst sich mit den physikalischen Grundlagen der Beobachtung von Planeten im reflektiertem Sternenlicht, um daraus praktische Schlussfolgerungen für die Planung und Interpretation zukünftiger Messungen abzuleiten. Die Arbeit analysiert die Perspektiven für eine Charakterisierung von Exoplaneten-Atmosphären anhand von Auflicht-Spektren mit verschiedenen Beobachtungsstrategien. Darüber hinaus wird abgeschätzt, welche der bekannten Planeten potenziell durch diese Missionen beobachtet werden können, wobei sowohl die Anzahl der Ziele als auch einige ihrer Eigenschaften berechnet werden. Deshalb wurden neue Methoden entwickelt, die in drei Publikationen als Erstautor im Rahmen der Dissertation veröffentlicht wurden. Carrión-González et al. (2020) –Paper I– stellt ein neues atmosphärisches Retrieval-Analyseverfahren vor, das für direkte Messungen des reflektierten Sternenlichts entwickelt wurde. Es wird verwendet, um die in den Spektren enthaltenen Informationen über die Planetenatmosphäre zu ermitteln. Dieses Verfahren umfasst Modellparameter, die für diese Technik besonders wichtig sind, wie z. B. den Planetenradius, der bei direkt abgebildeten Exoplaneten im Allgemeinen unbekannt ist. Auf diese Weise konnten neue, bisher nicht bekannte Parameterkorrelationen gefunden werden. Insbesondere die Unsicherheit beim Planetenradius führt zu Korrelationen mit atmosphärischen Parametern wie den optischen Eigenschaften der Wolken oder der Häufigkeit gasförmiger Spezies. Daher spielt der Planetenradius, auch wenn er selbst kein atmosphärischer Parameter ist, eine Schlüsselrolle bei der Charakterisierung der Atmosphäre. Carrión-González et al. (2021b) –Paper II– analysiert mögliche Beobachtungsstrategien, um diese Parameterkorrelationen zu überwinden und die atmosphärische Charakterisierung zu verbessern. Das Retrieval-Verfahren aus Paper I wird erweitert, um die Kombination mehrerer Messungen zu ermöglichen. Dies wird genutzt, um das Potenzial der Beobachtung bei verschiedenen Phasenwinkeln zwischen Stern, Planet und Beobachter zu ermitteln und die in jeder Phase enthaltenen Informationen zu kombinieren. Es zeigt sich, dass die Kombination von Messungen bei kleinen und großen Phasen (etwa 40º bzw. 120º) die durch einen unbekannten Planetenradius ausgelösten Korrelationen wirksam reduzieren kann. Diese Strategie verbessert die atmosphärische Charakterisierung des Planeten und führt auch zu genauen Schätzungen des Planetenradius. Die physikalischen Gründe für diese Verbesserung werden ebenfalls analysiert. Es zeigt sich, dass die Asymmetrien der Streufunktion der atmosphärischen Aerosole eine Hauptursache für die Verbesserungen bei mehrphasigen Abfragen sind. Carrión-González et al. (2021a) –Paper III– entwickelt eine neue statistische Methode zur Berechnung der Wahrscheinlichkeit, dass bekannte Exoplaneten potenziell mit direkt abbildenden Teleskopen beobachtbar sind. Diese Methode verwendet die vom NASA Exoplanet Archive zusammengestellten Daten und berücksichtigt die darin angegebenen Parameterunsicherheiten. Sie berücksichtigt auch unvollständige Bahninformationen und einen unbekannten Planetenradius für Planeten, welche nicht mittels Transit beobachtbar sind. Der Koronograph des kommenden Nancy-Grace-Roman-Weltraumteleskops verwendet diese Methode, um die Planetenpopulation zu analysieren. Das Modell gibt zusätzliche Daten aus, die bei der Priorisierung der Ziele helfen, wie z. B. der Bereich der beobachtbaren Phasenwinkel für jeden Planeten, der, wie in Paper II gezeigt wird, die Aussichten für die atmosphärische Charakterisierung beeinflusst. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass diese Arbeit grundlegende Fragen der Physik behandelt, die hinter der Beobachtung von Planeten im reflektiertem Sternenlicht stehen. Die Ergebnisse werden dazu beitragen, diese Beobachtungen zu planen und ihren wissenschaftlichen Inhalt richtig zu interpretieren. Sowohl die hier entwickelten Methoden als auch die gewonnenen Erkenntnisse werden auch auf im Bau befindliche und zukünftige Direktbeobachtungsanlagen anwendbar sein, um deren wissenschaftliche Ergebnisse zu verstehen.de
dc.description.sponsorshipDFG, 313698196, SPP 1992: Exploration der Diversität extrasolarer Planetenen
dc.identifier.urihttps://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/16688
dc.identifier.urihttp://dx.doi.org/10.14279/depositonce-15465
dc.language.isoenen
dc.relation.haspart10.14279/depositonce-16335en
dc.relation.haspart10.14279/depositonce-16336en
dc.relation.haspart10.14279/depositonce-16337en
dc.rights.urihttp://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/en
dc.subject.ddc523 Einzelne Himmelskörper und Himmelsphänomenede
dc.subject.ddc520 Astronomie und zugeordnete Wissenschaftende
dc.subject.otherastronomyen
dc.subject.otherexoplaneten
dc.subject.otherplanetary sciencesen
dc.subject.otherplanetary atmosphereen
dc.subject.otherradiative transfer antronomieen
dc.subject.otherAstronomiede
dc.subject.otherExoplanetde
dc.subject.otherPlanetenforschungde
dc.subject.otherPlanetenatmosphärede
dc.subject.otherStrahlungstransportde
dc.titleDirect imaging of cold and temperate exoplanets in reflected starlighten
dc.title.subtitleProspects for atmospheric characterization and target selectionen
dc.title.translatedDirekte Beobachtung von kalten und gemäßigten Exoplaneten im reflektierten Sternenlichtde
dc.title.translatedsubtitlePerspektiven für die atmosphärische Charakterisierung und Auswahl von Zielobjektende
dc.typeDoctoral Thesisen
dc.type.versionacceptedVersionen
tub.accessrights.dnbdomainen
tub.affiliationFak. 2 Mathematik und Naturwissenschaften::Zentrum für Astronomie und Astrophysikde
tub.affiliation.facultyFak. 2 Mathematik und Naturwissenschaftende
tub.affiliation.instituteZentrum für Astronomie und Astrophysikde
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