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High Precision Astrometry with Adaptive Optics aided Imaging

Meyer, Eva

German Title: Hochpräzise Astrometrie auf Abbildungen die mit Hilfe von Adaptiver Optik aufgenommen wurden

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Abstract

Currently more than 450 exoplanets are known and this number increases nearly every day. Only a few constraints on their orbital parameters and physical characteristics can be determined, as most exoplanets are detected indirectly and one should therefore refer to them as exoplanet candidates. Measuring the astrometric signal of a planet or low mass companion by means of measuring the wobble of the host star yields the full set of orbital parameters. With this information the true masses of the planet candidates can be determined, making it possible to establish the candidates as real exoplanets, brown dwarfs or low mass stars. In the context of this thesis, an M-dwarf star with a brown dwarf candidate companion, discovered by radial velocity measurements, was observed within an astrometric monitoring program to detect the astrometric signal. Ground based adaptive optics aided imaging with the ESO/NACO instrument was used with the aim to establish its true nature (brown dwarf vs. star) and to investigate the prospects of this technique for exoplanet detection. The astrometric corrections necessary to perform high precision astrometry are described and their contribution to the overall precision is investigated. Due to large uncertainties in the pixel-scale and the orientation of the detector, no detection of the astrometric orbit signal was possible. The image quality of ground-based telescopes is limited by the turbulence in Earth's atmosphere. The induced distortions of the light can be measured and corrected with the adaptive optics technique and nearly diffraction limited performance can be achieved. However, the correction is only useful within a small angle around the guide star in single guide star measurements. The novel correction technique of multi conjugated adaptive optics uses several guide stars to correct a larger field of view. The VLT/MAD instrument was built to demonstrate this technique. Observations with MAD are analyzed in terms of astrometric precision in this work. Two sets of data are compared, which were obtained in different correction modes: pure ground layer correction and full multi conjugated correction.

Translation of abstract (German)

Mehr als 450 extrasolare Planeten sind zurzeit bekannt und diese Zahl wird fast täglich größer. Da die meisten Exoplaneten indirekt entdeckt werden, können nur wenige Einschränkungen bezüglich ihrer Bahnparameter und physikalischen Eigenschaften gemacht werden und sie sollten daher vorläufig als Exoplanet-Kandidaten bezeichnet werden. Misst man das astrometrische Signal eines planetaren oder massearmen Begleiters, indem man die Reflexbewegung des Hauptsterns vermisst, so erhält man den vollen Satz an orbitalen Parametern. Mit dieser Information kann die genaue Masse der Kandidaten bestimmt werden und es ist somit möglich, die Planetenkandidaten als wahre Exoplaneten, Braune Zwerge oder massearme Sterne einzustufen. Im Rahmen der vorliegenden Doktorarbeit wurde ein Zwergstern der Spektralklasse M, der einen mittels Radialgeschwindigkeitsmessungen entdeckten wahrscheinlichen Braunen Zwerg als Begleiter hat, innerhalb eines fortlaufenden Beobachtungsprogramms zur Detektion des astrometrischen Signals beobachtet. Bodengebundene Beobachtungen mit dem Adaptiven Optik (AO) Instrument ESO/NACO wurden durchgeführt, um die wahre Natur des Begleiters zu bestimmen (Brauner Zwerg oder massearmer Stern) und die Aussichten dieser Technik im Bereich der Planetenendeckung zu untersuchen. Die astrometrischen Korrekturen, notwendig um hochpräzise Astrometrie zu betreiben, werden in diesem Zusammenhang beschrieben und ihr Beitrag zur Gesamtmessgenauigkeit untersucht. Die großen Unsicherheiten in der Messgenauigkeit der Änderung der Pixel-Skala und der Ausrichtung des Detektors verhinderten jedoch, das Signal des astrometrischen Orbits zu messen. Die Abbildungsqualität eines bodengebundenen Teleskopes ist begrenzt durch die Turbulenz in der Atmosphäre der Erde. Die dadurch hervorgerufenenen Verformungen der Lichtwellen können mit Hilfe der Technik der Adaptiven Optik vermessen und korrigiert werden und somit beinahe beugungsbegrenzte Abbildungen erzeugt werden. Im Fall der klassischen AO mit nur einem Referenzstern ist die Korrektur jedoch nur in einem engen Bereich um den Referenzstern möglich. Multikonjugierte Adaptive Optik verwendet mehrere Referenzsterne, um ein grösseres Gesichtfeld zu korrigieren. Das MAD Instrument wurde gebaut und am Very Large Telescope installiert, um diese neue Technik zu demonstrieren. Beobachtungen mit MAD wurden im Rahmen dieser Arbeit auf ihre astrometrische Genauigkeit hin ausgewertet. Dabei wurden zwei Datensätze verglichen, die in unterschiedlichen Korrektur-Modi aufgenommen wurden: zum einen wurde nur die Turbulenzschicht nahe am Boden korrigiert, zum anderen die volle multikonjugierte Konfiguration des Instrumentes genutzt.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Rix, Prof. Dr. Hans-Walter
Date of thesis defense: 21 July 2010
Date Deposited: 05 Aug 2010 10:02
Date: 2010
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Dekanat der Fakultät für Physik und Astronomie
Subjects: 520 Astronomy and allied sciences
Controlled Keywords: Heidelberg / Max-Planck-Institut für Astronomie, Astronomie
Uncontrolled Keywords: Astrometrie , Exoplantendetektion , Adaptive Optik , MCAOAstronomy , Astrometry , Exoplanet detection , Adaptive Optics , MCAO
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