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New techniques to detect and characterize transiting exoplanets
No full textThe study of extrasolar planets (in short, "exoplanets") is one of the most young and rapidly-evolving fields of astronomical research. The present thesis is primarily about the development of new observational and reduction/analysis techniques to 1) characterize known transiting extrasolar planets by means of high-precision, ground-based differential photometry 2) to exploit the same data to search for additional bodies in known planetary systems, by employing the so-called Transit Time Variation (TTV) analysis. For both aims, I developed independent and customized software pipelines targeted at minimizing or correcting every significant source of uncorrelated ("red") noise. Most of my thesis is focused on the design and implementation of the TASTE project (once known as "The Asiago Search for Timing time variations of Exoplanets"), a long-term and multi-site photometric campaign to follow up a selected sample of transiting exoplanets at small/medium-sized facilities. The contents of each chapter in summarized in what follows:
1) Introduction. In this chapter I will briefly discuss the present status of exoplanetary research, including an overview of the main techniques employed so far to detect and characterize exoplanets. Then I will discuss why and how we are looking for smaller and lighter planets around bright stars, and what techniques have been developed to work out the resulting instrumental issues. In particular, I will describe what the TTV technique is, its theoretical basis and how it can be applied to real measurements. I will also review the first results obtained with this method, both from ground-based facilities and from CoRoT and Kepler space missions.
2) The implementation of TASTE. In this chapter I will describe the design and implementation of the TASTE project, as originally conceived to be operated at one single facility (the 1.82m telescope at the Asiago Observatory). I will discuss the technical requirements, the criteria adopted for the selection of the target sample, the observing strategy, and the first version of the STARSKY pipeline, optimized to carry out differential photometry on defocused images. I will present the first two light curves of the "hot Jupiters" HAT-P-3b and HAT-P-14b gathered by TASTE, and demonstrate that they achieve the accuracy required to detect Earth-mass perturbers through TTVs, if locked on low-order orbital resonances such as 3:2 or 2:1. This chapter is based on: V. Nascimbeni, G. Piotto, L. R. Bedin, M.Damasso (2011): TASTE: The Asiago Search for Transit timing variations of Exoplanets. I. Overview and improved parameters for HAT-P-3b and HAT-P-14b, A&A, 527, A85.
3) A new observational study of HAT-P-13b. In this chapter I will present the first observational TTV study published by the TASTE collaboration. This work was prompted by a paper of Pal et al. (2011), who claimed the detection of a sizeable TTV in the transits of HAT-P-13b (an interesting hot Jupiter hosted by a multiplanetary system). I will show that TASTE data are in agreement with the Pal et al. (2011) measurements, supporting --along with other archival data-- the possible presence of a periodic TTV signal. I will point out how subsequent works (Southworth et al. 2012, Fulton et al. 2012) demonstrated that most past timing measurements were published with underestimated errors caused by neglected red noise, thus disproving the previously claimed TTV for this system. This chapter is based on: V. Nascimbeni, G. Piotto, L. R. Bedin, M. Damasso, L. Malavolta, L. Borsato (2011): TASTE II. A new observational study of transit time variations in HAT-P-13b, A&A, 532, A24.
4) A homogeneous study of WASP-3b. In this chapter I will present the first TASTE work based on observations made at IAC facilities, namely a new study of the hot Jupiter WASP-3b from six high-precision light curves secured at the IAC-80 telescope. I will describe the thorough (re-)analysis carried out on both archival and our data, employing homogeneous techniques and software tools, with the goal of deriving auto-consistent planetary parameters and timing measurements. I will show that our ensemble data set is not in agreement with the periodic TTV previously claimed by Maciejewski et al. (2010). Instead, I will demonstrate that the measured TTV scatter is indeed statistically significant, though it does not show any significant periodicity. Hence I will discuss the possible causes for that behavior, and present an updated ephemeris and improved orbital/physical parameters for this target. This chapter is based on: V. Nascimbeni, A. Cunial, S. Murabito, P. V. Sada, A. Aparicio, G. Piotto, L. R. Bedin, A. P. Milone, A. Rosenberg, L. Borsato, M. Damasso, V. Granata, and L. Malavolta (2012): TASTE III. A homogeneous study of transit time variations in WASP-3b, A&A, submitted.
5) Improved parameters for WASP-1b and HAT-P-20b. In this chapter I will analyze four high-precision light curves caught serendipitously at the Asiago 1.82m telescope (one of WASP-1b, three of HAT-P-20b). By also re-analyzing the most accurate archival data available, I will derive improved parameters and ephemeris for both targets, which do not show any significant TTV. I will discuss what upper limits can be set from this null detection to the mass of hypotetical perturbing planets. This chapter is based on: V. Granata, V. Nascimbeni, G. Piotto, L. R. Bedin, L. Borsato, M. Damasso, L. Malavolta (2012): TASTE IV. Refined ephemeris and parameters for WASP-1b and HAT-P-20b, A&A, in preparation.
6) A search for planets in NGC 6397. In this chapter I will describe a search for transiting planets and variable stars carried out in an outer field of the globular cluster NGC 6397 from space-based HST observations. The main sample is a set of ~2200 cluster-member M dwarfs belonging to the same stellar popolation. I will describe the algorithms I developed to correct systematic errors in a data set composed by 252 ultra-deep archival images from the ACS camera. As no transits were detected, I will discuss the significance of this null result. I will report twelve unpublished variables of various types, all of them discovered among field stars. This chapter is based on: V. Nascimbeni, L. R. Bedin, G. Piotto, F. De Marchi, R. M. Rich (2012): An HST search for planets in the lower Main Sequence of the globular cluster NGC 6397, A&A, 541, A144.
7) Field selection for PLATO} In the final chapter I will summarize my involvement in PLATO. Plato is a proposed ESA mission that will search primarily for low-mass, habitable planets around bright stars, covering up to the ~40% of the sky at the end of the mission. Suitable targets (dwarfs and subgiants later than spectral type F5, down to V~13) have to be selected in advance. An unprecedented all-sky stellar classification is then needed. Within the Working Package (WP 131210: "Analysis of photometric and astrometric catalogues") I evaluated the feasibility and reliability of stellar classification techniques based upon the existing and forthcoming photometric/astrometric catalogs.Lo studio dei pianeti extrasolari (o "esopianeti") è una branca della ricerca astronomica molto giovane e in rapidissima evoluzione. Il lavoro svolto nella presente tesi riguarda principalmente lo sviluppo di nuove tecniche di osservazione e di riduzione e analisi dati al fine di 1) caratterizzare pianeti extrasolari transitanti già noti attraverso fotometria differenziale di alta precisione, condotta da terra; e 2) fare uso degli stessi dati per cercare nuovi corpi in sistemi planetari già noti, sfruttando una tecnica di analisi nota come TTV (Transit Time Variation: variazione dei tempi di transito). Per entrambi gli scopi, ho sviluppato strumenti software indipendenti e mirati al fine di minimizzare o correggere ogni sorgente rilevante di errori sistematici (noto anche come "correlated noise" o "red noise"). Gran parte della mia tesi è focalizzata sulla progettazione e implementazione del progetto TASTE, una campagna osservativa multisito e a lungo termine per monitorare un campione selezionato di esopianeti con telescopi terrestri di classe piccola e media. Il contenuto di ciascun capitolo è riassunto in seguito.
1) Introduzione. In questo capitolo tratterò in breve la situazione attuale della ricerca sugli esopianeti, comprendente anche una panoramica sulle principali tecniche finora impiegate per rivelare e caratterizzare pianeti extrasolari. Quindi passerò a discutere perché e come la comunità scientifica si sta orientando verso la ricerca di pianeti sempre più piccoli e leggeri attorno a stelle brillanti, e illustrerò le tecniche sviluppate per aggirare i limiti attualmente imposti dagli strumenti. In particolare, descriverò in cosa consiste la tecnica TTV, quali sono i principi teorici sui quali si fonda e come questi possano essere applicati a misure reali. Passerò infine in rassegna i primi risultati ottenuti applicando questo metodo, sia da strumentazioni terrestri che dalle missioni spaziali Kepler e CoRoT.
2) Implementazione del progetto TASTE. In questo capitolo descriverò la progettazione e l'implementazione di TASTE nella configurazione originaria: ovvero, come un progetto concepito per un singolo telescopio (il riflettore Copernico da 1.82m presso l'Osservatorio Astrofisico di Asiago). Discuterò i requisiti tecnici imposti, i criteri adottati per la selezione del campione di oggetti, la strategia osservativa e la prima versione della pipeline software STARSKY, ottimizzata per eseguire fotometria differenziale di apertura su immagini appositamente sfuocate. Presenterò le prime curve di luce pubblicate da TASTE, dei pianeti cosiddetti "hot Jupiters" HAT-P-3b e HAT-P-14b, e dimostrerò che esse raggiungono l'accuratezza fotometrica necessaria per rilevare con la tecnica TTV pianeti perturbatori di massa terrestre, nel caso questi ultimi siano bloccati in una risonanza orbitale di basso ordine, come 3:2 o 2:1. Questo capitolo è basato sull'articolo: V. Nascimbeni, G. Piotto, L. R. Bedin, M. Damasso (2011): TASTE: The Asiago Search for Transit timing variations of Exoplanets. I. Overview and improved parameters for HAT-P-3b and HAT-P-14b, A&A, 527, A85.
3) Un nuovo studio osservativo di HAT-P-13b. In questo capitolo presenterò il primo studio TTV osservativo pubblicato dalla collaborazione TASTE. Questo lavoro è stato stimolato da un articolo di Pal et al. (2011) che rivendicava la scoperta di un considerevole segnale TTV nei transiti del pianeta HAT-P-13b (un caso interessante di "hot Jupiter" ospitato da un sistema planetario multiplo). Mostrerò che i dati raccolti da TASTE sono in accordo con le misure di Pal et al. (2011), il che conforta --assieme ad altri dati di archivio-- la possibile presenza di un segnale TTV periodico. Infine metterò in evidenza che lavori più recenti (Southworth et al. 2012, Fulton et al. 2012) hanno tentato di dimostrare che molte misure condotte in passato sono state pubblicate con errori di gran lunga sottostimati, a causa della presenza di red noise trascurato durante la fase di analisi di dati. Per questo motivo, oggi si ritiene probabile che la rivendicazione di Pal et al. (2011) sia spuria. Questo capitolo è basato sull'articolo: V. Nascimbeni, G. Piotto, L. R. Bedin, M. Damasso, L. Malavolta, L. Borsato (2011) TASTE II. A new observational study of transit time variations in HAT-P-13b, A&A, 532, A24.
4) Un'analisi omogenea del sistema WASP-3. In questo capitolo presenterò il primo lavoro del progetto TASTE basato su osservazioni condotte presso l'Observatorio del Teide dell'Instituto de Astrofisica de Canarias (IAC): sei curve di luce ad alta precisione ottenute con il telescopio IAC-80. Descriverò l'analisi approfondita che è stata svolta sia su dati di archivio che sulle nostre misure, facendo uso di tecniche e software di riduzione/analisi omogenei. Lo scopo è di derivare parametri del pianeta e misure di tempo di transito in modo completamente autoconsistente. Illustrerò come l'insieme dei dati disponibili non sia in accordo con il presunto segnale TTV periodico rivendicato da Maciejewski et al. (2010). Al contrario, dimostrerò che la dispersione delle misure TTV è statisticamente significativa, sebbene priva di qualsiasi tipo di periodicità rivelabile. Passerò quindi a discutere le possibili cause di questo comportamento, presentando un'effemeride aggiornata per WASP-3b e ricavando per lo stesso parametri fisici e orbitali aggiornati. Questo capitolo è basato sull'articolo: V. Nascimbeni, A. Cunial, S. Murabito, P. V. Sada, A. Aparicio, G. Piotto, L. R. Bedin, A. P. Milone, A. Rosenberg, L. Borsato, M. Damasso, V. Granata, and L. Malavolta (2012) TASTE III. A homogeneous study of transit time variations in WASP-3b, A&A, submitted.
5) Parametri fisici e orbitali di WASP-1b e HAT-P-20b. In questo capitolo analizzerò quattro curve di luce di alta precisione ottenute serendipicamente con il telescopio da 1.82m di Asiago (un transito di WASP-1b e tre transiti completi di HAT-P-20b). Rianalizzando anche i più accurati dati di archivio attualmente disponibili, derivererò un'effemeride e dei parametri fisici e orbitali più precisi per entrambi i pianeti. Nessuno dei due mostra un segnale TTV significativo. Discuterò infine quali limiti superiori possono essere stimati riguardo alla massa di un ipotetico pianeta perturbatore in base a questa misura nulla. Questo capitolo è basato sull'articolo: V. Granata, V. Nascimbeni, G. Piotto, L. R. Bedin, L. Borsato, M. Damasso, L. Malavolta (2012) TASTE IV. Refined ephemeris and parameters for WASP-1b and HAT-P-20b, A&A, in preparation.
6) Una ricerca di pianeti in NGC 6397 In questo capitolo descriverò una ricerca di pianeti transitanti e stelle variabili condotta in un campo stellare periferico dell'ammasso globulare NGC 6397, sfruttando osservazioni di archivio del telescopio spaziale Hubble. Il campione principale è costituito da un insieme di ~2200 nane rosse appartenenti all'ammasso. Descriverò gli algoritmi che ho sviluppato per correggere gli errori fotometrici sistematici presenti in un insieme di 252 immagini ultraprofonde riprese con la camera ACS nel 2006. Poiché non sono stati rivelati transiti, discuterò la significatività di questo risultato nullo. Infine, descriverò e caratterizzerò dodici stelle variabili di diverse tipologie scoperte per la prima volta. Tutte queste variabili sono sorgenti di campo, non appartenenti all'ammasso. Questo capitolo è basato sull'articolo: V. Nascimbeni, L. R. Bedin, G. Piotto, F. De Marchi, R. M. Rich (2012) An HST search for planets in the lower Main Sequence of the globular cluster NGC 6397, A&A, 541, A144.
7) Selezione del campo di vista di PLATO Nell'ultimo capitolo passerò in rassegna il lavoro che mi ha visto coinvolto nello studio preparatorio per PLATO. PLATO è una missione spaziale proposta all'ESA che cercherà principalmente pianeti "abitabili" di piccola massa attorno a stelle brillanti, coprendo alla fine della missione un angolo sferico pari al ~40% dell'intero cielo. I target adatti comprendono stelle nane e subgiganti di tipo spettrale F5V e più freddi, più brillanti della magnitudine V~13. Tali target devono essere selezionati prima dell'inizio della missione vera e propria, pertanto è necessaria una classificazione stellare su tutto il cielo, e molto più profonda di quelle attualmente disponibili. All'interno del gruppo di lavoro WP 131210 ("Analysis of photometric and astrometric catalogues") ho investigato la fattibilità e l'affidabilità delle tecniche di classificazione stellare basate sui cataloghi fotometrici e astrometrici, sia quelli disponibili che quelli di prossima realizzazione
High-precision astrometry with VVV - I. An independent reduction pipeline for VIRCAM@VISTA
No full textUnveiling an exoplanetary Neptunian atmosphere through multiband transit photometry
No full textThe “effective” radius of a planet is a function of wavelength due to scattering and/or absorption processes, and we can exploit simultaneous multiband transit photometry to probe the atmospheric scale height and composition. We present new photometric data of the recently discovered “hot Uranus” GJ3470b, gathered with the LBC camera at LBT. Light curves of unprecedented accuracy (0.0012 mag in U and 0.00028 mag in a narrow band centered at 972 nm) allowed us to measure an increasingly larger planetary radius at shorter wavelengths, which we interpret as a signature of Rayleigh scattering by a large scale height atmosphere. Further follow-up observations to confirm this result and probe the presence of specific atomic and molecular species is ongoing
Age consistency between exoplanet hosts and field stars
Full text linkContext. Transiting planets around stars are discovered mostly through photometric surveys. Unlike radial velocity surveys, photometric surveys do not tend to target slow rotators, inactive or metal-rich stars. Nevertheless, we suspect that observational biases could also impact transiting-planet hosts. Aims. This paper aims to evaluate how selection effects reflect on the evolutionary stage of both a limited sample of transiting-planet host stars (TPH) and a wider sample of planet-hosting stars detected through radial velocity analysis. Then, thanks to uniform derivation of stellar ages, a homogeneous comparison between exoplanet hosts and field star age distributions is developed. Methods. Stellar parameters have been computed through our custom-developed isochrone placement algorithm, according to Padova evolutionary models. The notable aspects of our algorithm include the treatment of element diffusion, activity checks in terms of RHK and vsini, and the evaluation of the stellar evolutionary speed in the Hertzsprung-Russel diagram in order to better constrain age. Working with TPH, the observational stellar mean density ρ∗ allows us to compute stellar luminosity even if the distance is not available, by combining ρ∗ with the spectroscopic log g. Results. The median value of the TPH ages is ∼5 Gyr. Even if this sample is not very large, however the result is very similar to what we found for the sample of spectroscopic hosts, whose modal and median values are [3, 3.5) Gyr and ∼4.8 Gyr, respectively. Thus, these stellar samples suffer almost the same selection effects. An analysis of MS stars of the solar neighbourhood belonging to the same spectral types bring to an age distribution similar to the previous ones and centered around solar age value. Therefore, the age of our Sun is consistent with the age distribution of solar neighbourhood stars with spectral types from late F to early K, regardless of whether they harbour planets or not. We considered the possibility that our selected samples are older than the average disc population
TASTE: The Asiago Search for Transit timing variations of Exoplanets. I. Overview and improved parameters for HAT-P-3b and HAT-P-14b
No full textA promising method for detecting earth-sized exoplanets is the timing analysis of a known transit. The technique allows a search for variations in either the transit duration or the center induced by the perturbation of a third body, e.g. a second planet or an exomoon. By applying this method, the TASTE (The Asiago search for transit timing variations of Exoplanets) project will collect high-precision, short-cadence light curves for a selected sample of transits by using imaging di fferential photometry at the Asiago 1.82 m telescope. The first light curves show that our project can achieve a competitive timing accuracy, as well as a significant improvement of the orbital parameters.We derived refined ephemerides for HAT-P-3b and HAT-P-14b with a timing accuracy of 11 and 25 s, respectively. © ESO 2011
Revising the ages of planet-hosting stars
No full textThis article aims to measure the age of planet-hosting stars (SWP) through stellar tracks and isochrones computed with the \textsl{PA}dova \& T\textsl{R}ieste \textsl{S}tellar \textsl{E}volutionary \textsl{C}ode (PARSEC). We developed algorithms based on two different techniques for determining the ages of field stars: \emph{isochrone placement} and \emph{Bayesian estimation}. Their application to a synthetic sample of coeval stars shows the intrinsic limits of each method. For instance, the Bayesian computation of the modal age tends to select the extreme age values in the isochrones grid. Therefore, we used the isochrone placement technique to measure the ages of 317 SWP. We found that of SWP have ages lower than 0.5 Gyr. The age distribution peaks in the interval [1.5, 2) Gyr, then it decreases. However, of the stars are older than 11 Gyr. The Sun turns out to be a common star that hosts planets, when considering its evolutionary stage. Our SWP age distribution is less peaked and slightly shifted towards lower ages if compared with ages in the literature and based on the isochrone fit. In particular, there are no ages below 0.5 Gyr in the literature
Diagnosing aerosols in extrasolar giant planets with cross-correlation function of water bands
Full text linkTransmission spectroscopy with ground-based, high-resolution instruments provides key insight into the composition of exoplanetary atmospheres. Molecules such as water and carbon monoxide have been unambiguously identified in hot gas giants through cross-correlation techniques. A maximum in the cross-correlation function (CCF) is found when the molecular absorption lines in a binary mask or model template match those contained in the planet. Here, we demonstrate how the CCF method can be used to diagnose broadband spectroscopic features such as scattering by aerosols in high-resolution transit spectra. The idea consists in exploiting the presence of multiple water bands from the optical to the near-infrared. We have produced a set of models of a typical hot Jupiter spanning various conditions of temperature and aerosol coverage. We demonstrate that comparing the CCFs of individual water bands for the models constrains the presence and the properties of the aerosol layers. The contrast difference between the CCFs of two bands can reach ~100 ppm, which could be readily detectable with current or upcoming high-resolution stabilized spectrographs spanning a wide spectral range, such as ESPRESSO, CARMENES, HARPS-N+GIANO, HARPS+NIRPS, SPIRou, or CRIRES+
VSX J071108.7+695227: a Newly Discovered Short-period Eclipsing Binary
No full textWe report the discovery of an EW variable, VSX J071108.7+695227, with a short orbital period of ~0.238 day. This period is very close to the lower limit of ~0.22 day that has been found for EW systems. Here we present and discuss photometric and spectroscopic data of the variable, collected at the Astronomical Observatory of the Autonomous Region of the Aosta Valley and at the Asiago Astrophysical Observatory. The light curves show some asymmetries and the spectra suggest a dK4 classification for the two components. It could be interesting to carry out further observations of this system at different epochs because such systems frequently show variations in period and in the features of the light curve
A PSF-based approach to Kepler/K2data – III. Search for exoplanets and variable stars within the open cluster M 67 (NGC 2682)
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