Exoplanet Atmosphere Characterization with High-Resolution Doppler Spectroscopy

von David Cont
Dissertation
Datum der mündl. Prüfung:2023-02-21
Erschienen:2023-03-24
Betreuer:Prof. Dr. Ansgar Reiners
Gutachter:Prof. Dr. Ansgar Reiners
Gutachter:Prof. Dr. Ignas Snellen
Gutachter:Prof. Dr. Stefan Dreizler
Zum Verlinken/Zitieren: http://dx.doi.org/10.53846/goediss-9789

 

 

Dateien

Name:Thesis_David_Cont.pdf
Size:13.6Mb
Format:PDF

Lizenzbestimmungen:

Zusammenfassung

Englisch

Ultra-hot Jupiters (UHJs) are a class of giant strongly irradiated exoplanets with dayside temperatures exceeding 2200 K. Due to their elevated temperatures, these objects are prime targets for atmospheric characterization by observing their thermal emission signal. In this context, high-resolution spectroscopy is a powerful tool since it offers the opportunity to resolve the individual spectral lines from exoplanet atmospheres. Studying the spectra of UHJs with this method allows measuring the composition of their atmospheres and thereby, insights into mechanisms of planet formation and migration can be provided. In addition, dynamical processes in the atmosphere are detected through excess Doppler-shifts of the spectral lines and rotational broadening affects the spectral line width. Hence, high-resolution spectroscopy enables analyzing the atmospheric circulation and investigating the rotation of exoplanets. The presented work investigates the physical and chemical conditions in UHJ atmospheres by studying the emission spectra of the exoplanets WASP-33b and KELT-20b/MASCARA-2b. We employ a series of methods including principle component analysis, cross-correlation with model spectra, and a Bayesian retrieval framework for analyzing the high-resolution spectra from the daysides of these exoplanets. The signals of Ti I, V I, Fe I, the hydroxyl radical (OH), and strong evidence for Ti II and TiO lines are found in the emission spectrum of WASP-33b. In particular, the detection of Ti-bearing species is a remarkable result. These species are absent from the atmospheres of most UHJs and the underlying mechanisms of this depletion are not fully understood. Further, the Si I signature is detected in the high-resolution spectra of WASP-33b and KELT-20b/MASCARA-2b. Detection of silicon in the atmospheres of exoplanets has as of now been unprecedented. The spectral lines of all detected chemical species are emission shaped, which unambiguously proves the presence of inverted temperature profiles in the atmospheres of both investigated exoplanets. A detailed analysis of the WASP-33b emission spectrum is conducted to constrain the properties of the planetary dayside atmosphere. An offset in the Doppler-shift between different chemical species is interpreted as the presence of a three-dimensional chemical structure and super-rotational winds in the planetary atmosphere. We retrieve an increasing temperature with atmospheric altitude and super-solar elemental abundances. Moreover, we find a broadened spectral line profile that is likely caused by the fast rotation of the planet. Our analyses also comprise retrievals of the atmospheric conditions at different alignments between WASP-33b's dayside and the Earth-bound observer, which represents an advance in mapping local structures in exoplanet atmospheres.
Keywords: Exoplanet atmospheres; High-resolution spectroscopy; WASP-33b and MASCARA-2b/KELT-20b

Deutsch

Ultraheiße Jupiter (englisch: Ultra-hot Jupiters) sind eine Klasse gasförmiger Exoplaneten, die so nahe um ihren Stern kreisen, dass ihre Atmosphären Temperaturen von über 2200 K erreichen. Die damit einhergehende starke thermische Emission macht diese Planeten zu erstklassigen Beobachtungsobjekten, um die Eigenschaften ihrer Atmosphären zu entschlüsseln. Die Technik der hochauflösenden Spektroskopie ermöglicht die Auflösung der einzelnen Spektrallinien von Exoplanetenatmosphären. Beobachtungen ultraheißer Jupiter mittels dieser Methode erlauben es, die Zusammensetzung ihrer Atmosphären zu bestimmen und liefern somit Einblicke in die Entstehungs- und Migrationsmechanismen von Planeten. Darüber hinaus ermöglicht die hochauflösende Spektroskopie eine Analyse der atmosphärischen Zirkulation und die Untersuchung der Rotation von Exoplaneten. Dynamische Prozesse in Exoplanetenatmosphären zeigen sich durch eine überschüssige Doppler-Verschiebung der Spektrallinien. Ebenso kann durch die Verbreiterung derselben die Rotation eines Exoplaneten nachgewiesen werden. Die vorliegende Arbeit leistet einen Beitrag zur Erforschung der Eigenschaften von Atmosphären ultraheißer Jupiter. Zu diesem Zweck untersuchen wir die Emissionsspektren der Exoplaneten WASP-33b und KELT-20b/MASCARA-2b. Für die Analyse der hochauflösenden Spektren verwenden wir eine Reihe verschiedener Methoden wie Hauptkomponentenanalyse, Kreuzkorrelation mit Modellspektren und Regressionsanalyse. Im Spektrum von WASP-33b finden sich Emissionslinien von Ti I, V I, Fe I und dem Hydroxylradikal (OH) sowie deutliche Hinweise für Emissionslinien von Ti II und TiO. Die Entdeckung von Ti I, Ti II und TiO ist bemerkenswert, da diese Stoffe in den Atmosphären anderer ultraheißer Jupiter zumeist nicht nachweisbar und die zugrundeliegenden Mechanismen für deren Abwesenheit nicht vollständig geklärt sind. Des Weiteren finden wir Emissionslinien von Si I in den Spektren von WASP-33b und KELT-20b/MASCARA-2b. Es handelt sich dabei um den erstmaligen Nachweis von Silizium in den Atmosphären von Exoplaneten. In den Atmosphären beider untersuchten Planeten belegt die Anwesenheit von Emissionslinien das Vorhandensein einer thermischen Inversion. Wir führen eine detaillierte Analyse des Spektrums von WASP-33b durch. Die voneinander abweichenden Doppler-Verschiebungen der Spektrallinien unterschiedlicher Stoffe liefern Hinweise für eine dreidimensionale chemische Struktur und Superrotation in der Planetenatmosphäre. Zudem können wir eine Zunahme der Temperatur als Funktion der Höhe in der Atmosphäre und super-solare Elementhäufigkeiten nachweisen. Wir finden ein verbreitertes Spektrallinienprofil, das vermutlich durch die schnelle Rotation des Planeten verursacht wird. Unsere Forschung umfasst außerdem die Untersuchung der Atmosphäre von WASP-33b aus verschiedenen Sichtwinkeln. Dies stellt einen ersten Schritt zur Kartierung lokaler Strukturen der Atmosphären von Exoplaneten dar.
 
Statistik