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Direct imaging searches for substellar companions to nearby stars

Janson, Markus

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Abstract

Ever since the first detections of extrasolar planet candidates in the early 1990s, our knowledge of such objects has drastically increased, and exoplanet science today constitutes a major branch of astrophysics, with a few hundred individual detections. Our physical understanding is however limited by the fact that the planets are generally only detected indirectly, with just a few constraints on its orbital and physical parameters. Direct imaging of exoplanets, where the planet can be spatially resolved from the star, opens up for a much broader understanding of these objects, with the opportunity to study their spectral characteristics. Alternatively, eclipse spectroscopy, where the planetary signal can be temporally resolved in systems where the orbital plane of the planet happens to align with the line of sight of an observer, can be used for the same purpose. In this thesis, we study various approaches for direct imaging and spectroscopy of exoplanets from the ground, using combinations of adaptive optics and differential methods, in particular spectral and angular differential imaging. The possibility of using an external occulter for the purpose of decreasing the star-planet contrast is studied. We also investigate the possibility to calibrate theoretical mass-luminosity relationships in order to improve detection predictions and the interpretations of null-detection surveys. Scientific results include an improved age range of the AB Dor system thanks to the spatial distinguishing of AB Dor B as a close binary, and the best constrained upper limit to the H-band brightness of any known exoplanet ever achieved, from a deep imaging search for Eps Eri b.

Translation of abstract (German)

Ausgehend von den ersten Entdeckungen von Kandidaten für extrasolare Planeten zu Beginn der 1990er Jahre wuchs unser Wissen über derartige Objekte rasant an. Mit mehreren 100 bekannten Exoplaneten stellt ihre Untersuchung heute einen Hauptzweig der Astrophysik dar. Allerdings beschränkt der im allgemeinen indirekte Nachweis der Exoplaneten unser Wissen über Umlaufbahnen und physikalische Eigenschaften. Erst die direkte Abbildung der Exoplaneten, d.h. die räumliche aufgelöste Trennung von Stern und Exoplanet ermöglicht eine umfassendere Untersuchung ihrer spektralen Eigenschaften. Eine weitere Möglichkeit ist Bedeckungsspektroskopie. Hierbei wird in Systemen, in denen die Sichtlinie des Beobachters in der Umlaufebene des Planeten liegt, das Planetensignal zeitlich aufgelöst. In der vorliegenden Doktorarbeit werden unterschiedliche Ansätze zur direkten Abbildung und Spektroskopie der Exoplaneten vom Erdboden aus unter Verwendung von adaptiver Optik und differentiellen Methoden, die auf spektralen Eigenschaften oder Drehungen beruhen, untersucht. Es wird die Machbarkeit eines externen, freifliegenden Bedeckers mit dem Ziel, den Kontrast zwischen Planet und Stern zu minimieren, studiert. Weiterhin wird mit dem Ziel, Vorhersagen zur Entdeckung von Exoplaneten und die Interpretation von Nullergebnissen in breitangelegenten Suchprogrammen zu verbesseren untersucht, wie sich theoretische Masse-Leuchtkraft-Beziehungen eichen lassen. Zu den wissenschaftlichen Ergebnissen zählen eine verbesserte Altersbestimmung des AB Dor-Systems, aufbauend auf den Eigenschaften des engen visuellen Doppelsterns AB Dor B, und im Rahmen von tiefen Aufnahmen die beste bisher erreichte Obergrenze für die H-Bandhelligkeit eines bekannten Exoplaneten im Falle von Eps Eri b.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Henning, Prof Thomas
Date of thesis defense: 30 April 2008
Date Deposited: 09 May 2008 11:30
Date: 2008
Faculties / Institutes: Service facilities > Max-Planck-Institute allgemein > MPI for Astronomy
Subjects: 520 Astronomy and allied sciences
Controlled Keywords: Extrasolarer Planet
Uncontrolled Keywords: Extrasolar Planets
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