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datestamp: 2021-05-26 12:57:49
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status_changed: 2021-05-26 12:57:49
type: doctoralThesis
metadata_visibility: show
creators_name: Stock, Stephan Amir
title: Analysis of High-Precision Spectroscopic Data in Search of Exoplanet Signals Close to the Stellar Noise Limit
title_de: Analyse hochpräziser spektroskopischer Daten auf der Suche nach Exoplanetensignalen nahe der stellaren Rauschgrenze
subjects: 520
subjects: 530
divisions: 130001
adv_faculty: af-13
keywords: Extrasolare Planeten, M-Zwerge, Exoplanets, M-dwarf stars, Radialgeschwindigkeitsmethode, radial velocity method, Gaußprozess, Gaussian Process, Statistik, Statistics, Stellar Noise, Stellares Rauschen, YZ Ceti, GJ 251, HD238090
cterms_swd: Astronomie
cterms_swd: Extrasolarer Planet
cterms_swd: Spektroskopie
abstract: Due to their low mass and low temperature, M-dwarf stars are promising targets for the detection of planets in the host star’s temperate zone with the radial velocity (RV) method. However, M dwarfs typically exhibit stellar activity, producing noise in the RV data which can mask the signals from existing planets or, as well as aliasing caused by data sampling, can lead to false candidates or to wrongly determined planetary parameters. I present RV analyses for four M dwarfs with the aim of detecting and characterizing potential planetary signals.  To overcome the aliasing problems, I developed the public tool AliasFinder, which is an improvement of an already known method for distinguishing aliases from actual signals. For the disentanglement of stellar activity and planetary signals, and for their modeling, I used current state-of-the-art analysis techniques, e.g., Bayesian statistics and Gaussian process (GP) regression. The properties and the performance of GP models have been investigated and tested on simulated RV data of active M dwarfs. These GP models, along with additional data taken by CARMENES, have resulted in improved planetary parameters for four previously known planets (the multiplanetary system YZ Ceti and the single-planet system of Lalande 21185) and two new planet discoveries (the temperate super-Earth GJ 251 b and the warm super-Earth HD 238090 b). The analyses, results,and partially unique approaches in this thesis demonstrate that it is possible to detect and model planetary RV signals at the limit of the stellar astrophysical noise by applying rigorous statistical models, along with prior information from auxiliary data and further simulations.
abstract_translated_text: Aufgrund ihrer geringen Masse und niedrigen Temperatur sind M-Zwergsterne aussichtsreiche Ziele, um mit der Radialgeschwindigkeitsmethode (RV-Methode) Planeten in der gemäßigten Zone ihres Zentralsterns zu entdecken. Allerdings zeigen M-Zwerge sehr oft stellare Aktivität,was Störungen in den RV-Daten erzeugt. Dieses stellare Rauschen kann die Signale von existierenden Planeten überdecken oder, ebenso wie Alias-Effekte (die durch zeitliche Muster in der Datenerfassung entstehen), zu falschen Kandidaten oder falsch bestimmten Planetenparametern führen. Ich stelle die RV-Analysen für vier M-Zwerge vor, mit dem Ziel, potenziell vorhandene Planeten-Signale zu entdecken und zu charakterisieren. Um die Alias-Probleme zu lösen, entwickelte ich das frei verfügbare Programm AliasFinder, das eine Verbesserung einer bereits bekannten Methode zur Unterscheidung von Alias- und tatsächlichen Signalen darstellt. Zur Unterscheidung von stellarer Aktivität und Planetensignalen sowie deren Modellierung nutzte ich moderne Analyseverfahren, wie z.B. bayessche Statistik und Gaußprozess-Regression. Die Eigenschaften und das Verhalten der Gaußprozessmodelle habe ich untersucht und an simulierten RV-Daten aktiver M-Zwerge getestet. Diese Gaußprozessmodelle haben zusammen mit zusätzlichen Daten, die von CARMENES aufgenommen wurden, zu verbesserten Planetenparametern für vier bisher bekannte Planeten (das Mehrfach-Planetensystem YZ Ceti und das Einfach-Planetensystem von Lalande 21185) und zu zwei neuen Planetenentdeckungen (der gemäßigten Super-Erde GJ 251 b und der warmen Super-Erde HD 238090 b) geführt.  Die Analysen und Ergebnisse dieser Arbeit sowie die darin verwendeten teilweise einzigartigen Ansätze zeigen, dass es möglich ist, planetare RV-Signale an der Grenze zum stellaren astrophysikalischen Rauschen zu entdecken und zu modellieren, indem man präzise statistische Modelle, Erkenntnisse aus zusätzlich verfügbaren Daten und weiterführende Simulationen miteinander kombiniert.
abstract_translated_lang: ger
date: 2021
id_scheme: DOI
id_number: 10.11588/heidok.00029962
ppn_swb: 1759111414
own_urn: urn:nbn:de:bsz:16-heidok-299629
date_accepted: 2021-04-28
advisor: HASH(0x564e1c544210)
language: eng
bibsort: STOCKSTEPHANALYSISOF2021
full_text_status: public
place_of_pub: Heidelberg
citation:   Stock, Stephan Amir  (2021) Analysis of High-Precision Spectroscopic Data in Search of Exoplanet Signals Close to the Stellar Noise Limit.  [Dissertation]     
document_url: https://archiv.ub.uni-heidelberg.de/volltextserver/29962/1/Dissertation_Stephan_Stock_final_HGSFP.pdf