Spectroscopic characterization of extrasolar planets from ground-, space- and airborne-based observatories

Abstract

This thesis deals with techniques and results of observations of exoplanets from several platforms. In this work I present and then attempt solutions to particular issues and problems connected to ground- and space-based approaches to spectroscopic characterization of extrasolar planets. Furthermore, I present the future prospects of the airborne observatory, SOFIA, in this field of astronomy.

The first part of this thesis covers results of an exploratory study to use near-infrared integral-field-spectroscopy to observe transiting extrasolar planets. I demonstrate how adaptive-optics assisted integral field spectroscopy compares with other spectroscopic techniques currently applied, foremost being slit spectroscopy. An advanced reduction method using elements of a spectral-differential decorrelation and optimized observation strategies is discussed. This concept was tested with K-Band time series observations of secondary eclipses of HD 209458b and HD 189733b obtained with the SINFONI at the Very Large Telescope (VLT), at spectral resolution of R~3000. In ground-based near infrared (NIR) observations, there is considerable likelihood of confusion between telluric absorption features and spectral features in the targeted object. I describe a detailed method that can cope with such confusion by a forward modelling approach employing Earth transmission models.

In space-based transit spectroscopy with Hubble's NICMOS instrument, the main source of systematic noise is the perturbation in the instrument's configuration due to the near Earth orbital motion of the spacecraft. I present an extension to a pre-existing data analysis sequence that has allowed me to extract a NIR transmission spectrum of the hot-Neptune class planet GJ 436b from a data set that was highly corrupted by the above mentioned effects. Satisfyingly, I was able to obtain statistical consistency in spectra (acquired over a broad wavelength grid) over two distinct observing visits by HST. Earlier reductions were unable to achieve this feat. This work shows that systematic effecting the spectrophotometric light-curves in HST can be removed to levels needed to observe features in the relatively small scale-height atmospheres of hot Neptune class planets orbiting nearby stars.

In the third and final part of this thesis, I develop and discuss possible science cases for the airborne Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy (SOFIA) in the field of detection and characterization of extrasolar planets. The principle advantages of SOFIA and its suite of instrumentation is illustrated and possible targets are introduced. Possible next generation instrumentation (dedicated to exoplanetary science) is discussed.

In der hier vorgelegten Dissertation beschreibe ich zunächst die spezifischen Probleme und ihre möglichen Lösungen im Bereich der boden- und weltraum-gebundenen spektroskopischen Charakterisierung von extrasolaren Planeten. Weiterhin werden zukünftige Perspektiven mit dem Flugzeugteleskop SOFIA in diesem Feld präsentiert.

Der boden-gebundene Teil dieser Dissertation beschreibt Ergebnisse einer Beispielstudie zur Anwendung abbildender Spektrographen in der Charakterisierung extrasolarer Planeten. Hier vergleiche ich die Kombination aus adaptiver Optik und abbildender Spektroskopie mit anderen spektroskopischen Methoden, insbesondere der Spalt-Spektroskopie. In diesem Teil diskutiere ich eine fortgeschrittene Methode der Datenreduktion, die Elemente einer spektral-differentiellen Dekorrelation enthält, und erarbeite eine optimale Beobachtungsstrategie. Das hier präsentierte Konzept wurde an K-Band Zeitserien-Beobachtungen eines sekund\ären Transits der Planeten HD 209458b und HD 189733b getestet. Diese Beobachtung wurden mit dem SINFONI Instrument am Very Large Telescope der ESO (VLT) bei einer spektralen Auflösung von R~3000 durchgeführt. Für boden-gebundene Nahinfrarot-Beobachtungen ist das zentrale Problem die Absorption tellurischer Spurengase wie Wasser oder Methan, die auch in den beobachteten Planeten vermutet werden. In dieser Dissertation beschreibe ich eine Methode zur Lösung dieses Problems, unter anderem durch die Anwendung von Transmissionsmodellen der Erdatmosphäre.

Bei weltraum-gebundenen Beobachtungen der gleichen Art mit dem NICMOS-Instrument des Hubble Weltraumteleskopes ist die Hauptquelle systematischen Rauschens die Störungen in der Instrument-Konfiguration, die durch die Bewegung des Satelliten-Teleskopes durch den erdnahen Orbit hervorgerufen werden. Hier präsentiere ich eine Erweiterung der bestehenden Datenreduktions-Sequenz. Diese Methode konnte aus einem Datensatz, der hochgradig von diesen Effekten gestört ist, ein Nahinfrarot-Spektum des 'heissen Neptun' Planet GJ~436b extrahieren. Im Ergebnis war es mir möglich, ein statistisch konsistentes Spektrum für zwei unabhängig beobachtete Bedeckungen zu berechnen. Diese Arbeit zeigt, dass systematische Effekte in spektro-photometrischen Lichtkurven des Hubble Weltraumteleskops bis auf Niveaus korrigiert werden können, die es ermöglichen, selbst die Atmosphären heisser Neptun Planeten mit relativ kleinen Äquivalenthöhen zu charakterisieren.

Im dritten und letzten Teil der Arbeit entwickle und diskutiere ich zukünftige Einsatzmöglichkeiten des Flugzeugteleskops SOFIA (Stratosphären Observatorium für Infrarot Astronomie) im Bereich der Detektion und Charakterisierung extrasolarer Planeten. Generelle Vorteile von SOFIA und ihrer Instrumentierung werden dargestellt und mögliche Beobachtungs-Projekte vorgestellt. Zuletzt werden mögliche, auf die Charakterisierung von Exoplaneten spezialisierte Instrumente der zweiten Generation diskutiert.