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Analysis of High-Precision Spectroscopic Data in Search of Exoplanet Signals Close to the Stellar Noise Limit

Stock, Stephan Amir

German Title: Analyse hochpräziser spektroskopischer Daten auf der Suche nach Exoplanetensignalen nahe der stellaren Rauschgrenze

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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.

Translation of abstract (German)

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.

Document type: Dissertation
Supervisor: Reffert, PD Dr. Sabine
Place of Publication: Heidelberg
Date of thesis defense: 28 April 2021
Date Deposited: 26 May 2021 12:57
Date: 2021
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Dekanat der Fakultät für Physik und Astronomie
DDC-classification: 520 Astronomy and allied sciences
530 Physics
Controlled Keywords: Astronomie, Extrasolarer Planet, Spektroskopie
Uncontrolled 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
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