German Title: Erdgroße Planeten in Orbits um M-Zwerg Sterne: Entdeckung und Massenbestimmung mit CARMENES und TESS

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Abstract

The technical progress of the last decades has enabled us to study ever smaller planets with increasing precision. The characterisation of Earth-sized planets is particularly exciting, since they can provide important insights into the formation and development of our own Earth. M-dwarf stars are especially suited to search for Earth-sized planets with the radial velocity (RV) and transit method, because the planetary signals are more pronounced for these stars due to their larger planet-to-star mass and radius ratios. In my dissertation, I deal with the CARMENES spectrograph, which was constructed exactly for this purpose. The first part is an error budget for the visual channel of the spectrograph, in which I investigate what comprises the uncertainty of the measured RVs and what the technical limits of the instrument are. In the second part of the thesis, I present the discovery of two Earth-sized planets using CARMENES observations. The two short-period, Earth-sized planets GJ 3473 b and GJ 3929 b orbit M-dwarf stars and were initially identified as transiting planet candidates by the TESS survey satellite. Our follow-up observations using the RV method confirmed their planetary nature and revealed in the case of GJ 3473 another non-transiting, temperate planet with sub-Neptune mass, GJ 3473 c. Joint modelling of the transit and RV data made it possible to determine precise masses and radii for the two transiting planets. The densities determined from this are most consistent with a MgSiO3 composition for both planets. Due to their short orbital periods and therefore high equilibrium temperatures, both are particularly well suited for future atmospheric characterisation using transit spectroscopy.

Translation of abstract (German)

Der technische Fortschritt der letzten Jahrzehnte erlaubt es uns immer kleinere Planeten immer genauer zu untersuchen. Besonders spannend ist die Charakterisierung erdgroßer Planeten, da wir daraus auch wichtige Erkenntnisse zur Entstehung und Entwicklung unserer eigenen Erde gewinnen können. Ideal für die Suche nach erdgroßen Planeten sind M-Zwerg Sterne. Aufgrund ihrer im Verhältnis zu den Planeten geringen stellaren Massen und kleinen Radien, sind die mit der Radialgeschwindigkeits- und Transitmethode messbaren planetaren Signale bei diesen besonders stark ausgeprägt. In meiner Dissertation beschäftige ich mich mit dem CARMENES Spektrographen, der zu genau diesem Zweck konstruiert wurde. Den ersten Teil bildet ein Fehlerbudget für den visuellen Kanal des Spektrographen, in welchem ich untersuche, wie sich die Unsicherheit der gemessenen Radialgeschwindigkeiten (RVs) zusammensetzt, und wo die technischen Grenzen des Instruments liegen. Im zweiten Teil der Arbeit präsentiere ich die Entdeckung von zwei erdgroßen Planeten mithilfe von CARMENES Beobachtungen. Die beiden kurz-periodischen Planeten GJ 3473 b und GJ 3929 b umkreisen M-Zwerg Sterne und wurden zunächst vom Himmelsdurchmusterungssatelliten TESS als Transitplanetenkanditaten identifiziert. Unsere nachfolgenden Beobachtungen mit der RV-Methode bestätigten ihre planetare Natur und offenbarten im Falle von GJ 3473 zusätzlich einen nicht sternbedeckenden, gemäßigt-warmen Planeten mit sub-Neptun Masse, GJ 3473 c. Eine gemeinsame Modellierung der Transit- und RV-Daten ermöglichte es die genauen Massen und Radien der beiden Transitplaneten zu bestimmen. Die daraus ermittelten Dichten stimmen für beide Planeten am ehesten mit einer MgSiO3 dominierten Zusammensetzung überein. Aufgrund ihrer kurzen Umlaufzeiten und daher hohen Gleichgewichtstemperatur eignen sich beide Planeten zudem besonders gut für die zukünftige Untersuchung ihrer Atmosphären mittels Transitspektroskopie.