German Title: Prüfung von Planetenkandidaten um Riesensterne: Berechnung und Analyse von hochpräzisen Radialgeschwindigkeiten

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Abstract

The radial velocity (RV), or Doppler, technique is one of the most successful methods in the search for exoplanets; with more than two decades of RV measurements acquired for some stars, and thanks to a precision around 1 m s − 1 and better reached by modern spectrographs, it allows to explore an ever greater variety of planetary systems. In this PhD dissertation, I present my contributions to the RV survey of G- and K-giant stars, which is conducted by the Exoplanet Group at the Landessternwarte (LSW) Heidelberg. The aim is to track planet candidates in the sample, and thus strengthen our understanding of planet occurrence rates around these types of stars and discern between planetary signatures and false positives caused by intrinsic stellar variations. My work can be split into two parts: First, I was involved in the Waltz telescope project, which will act as a successor to the CAT telescope at Lick observatory and allow to continue the RV survey of giant stars with an LSW-owned telescope. I describe my work on opto-mechanical components which enabled to reach first light on-sky, and I present results from early observations. My main task in the project was the build-up of the Waltz DRS (data reduction software), which will be used to reduce acquired spectra and extract RVs. I detail the structure of the software and implementation of mathematical methods, and discuss first test results on early Waltz and archived Lick spectra. The second part of my work concerns the analysis of the highly eccentric stellar binary Epsilon Cygni, which is part of the K-giant sample. RV data obtained at Lick, with the SONG telescope on Tenerife, and from the literature show short-period variations in addition to the long signal caused by the stellar companion, which might hint at a planetary companion on a S-type orbit around the primary. I present Keplerian and dynamical models and constrain the orbit of the stellar companion; however, in combination with a stability analysis of the system, the models deem the planet hypothesis to be highly unlikely. I examine possible alternative explanations for the short-period RV variations and find tidally induced stellar oscillations as a plausible cause.

Translation of abstract (German)

Die Radialgeschwindigkeits-Technik, oder auch Doppler-Technik, ist eine der erfolgreichsten Methoden zum Auffinden von Exoplaneten. Mit mehr als zwei Jahrzehnten gesammelter Messungen für manche Sterne, und mit Hilfe moderner Spektrographen, die eine Präzision von 1 m s − 1 und besser erreichen, erlaubt diese Methode eine immer größere Vielfalt von Planetensystemem zu erforschen. In dieser Dissertation stelle ich meine Beiträge zur Radialgeschwindigkeitsstudie von G- und K-Riesensternen vor, die von der Exoplanetengruppe an der Landessternwarte (LSW) Heidelberg durchgeführt wird. Sie hat zum Ziel, Planetenkandidaten in der Stichprobe aufzuspüren, und damit unser Verständnis der Planetenvorkommen um diese Sterntypen zu verbessern und zwischen von Planeten verursachten Signalen und falsch-positiven Signaturen aufgrund von stellaren Variationen zu unterscheiden. Meine Arbeit lässt sich in zwei Bereiche aufteilen: Einerseits war ich am Waltz-Teleskop-Projekt beteiligt, das als Nachfolger des CAT-Teleskops am Lick-Observatorium dienen und damit eine Weiterführung der Radialgeschwindigkeitsmessungen von Riesensternen an einem Teleskop der LSW erlauben wird. Ich beschreibe meine Arbeit an optisch-mechanischen Komponenten, mit denen erste Beobachtungen am Himmel erreicht werden konnten, und ich präsentiere Resultate dieser Beobachtungen. Meine Hauptaufgabe im Projekt war es, die Datenreduktionssoftware Waltz DRS aufzubauen, die zur Reduktion der aufgenommenen Spektren und Extraktion der Radialgeschwindigkeiten eingesetzt wird. Ich beschreibe den Aufbau der Software und die Einbindung der mathematischen Methoden, und diskutiere erste Testergebnisse an frühen Waltz- und archivierten Lick-Spektren. Der zweite Teil meiner Arbeit betrifft die Analyse des stark exzentrischen Doppelsternsystems Epsilon Cygni, das Teil der K-Riesen-Stichprobe ist. Radialgeschwindigkeitsmessungen vom Lick-Observatorium, vom SONG-Teleskop auf Teneriffa, und aus der Literatur zeigen neben dem langen Signal, das durch den stellaren Begleiter verursacht wird, auch kurzperiodische Variationen, die auf einen planetaren Begleiter auf einem S-Orbit um den Primärstern hindeuten könnten. Ich präsentiere Kepler- und dynamische Modelle und grenze den Orbit des stellaren Begleiters ein; in Kombination mit einer Stabilitätsanalyse des Systems lassen die Modelle die Planetenhypothese jedoch als sehr unwahrscheinlich erscheinen. Ich untersuche mögliche alternative Erklärungen für die kurzperiodischen Radialgeschwindigkeitsvariationen und halte gezeiteninduzierte stellare Oszillationen für eine plausible Ursache.