Characterisation of exoplanet atmospheres with high-resolution spectroscopy

by Fabio Robin Lesjak
Doctoral thesis
Date of Examination:2025-02-13
Date of issue:2025-03-07
Advisor:Dr. Lisa Nortmann
Referee:Dr. Lisa Nortmann
Referee:Stefan Dreizler
Persistent Address: http://dx.doi.org/10.53846/goediss-11138

 

 

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Abstract

English

High-resolution spectroscopic observations offer a powerful approach to investigate planetary atmospheric composition and dynamics. Absorption and emission spectral lines serve as valuable diagnostics, as their strength, position, and shape are directly connected to the thermal, chemical, and dynamical conditions within exoplanetary atmospheres. Particularly the relatively large spectroscopic signals of hot Jupiters (HJs), a class of hot gas giants with small orbital periods, offer the opportunity for in-depth atmospheric characterisations. This work presents the analysis of transmission and emission spectra of four different HJs using the high-resolution spectrographs CRIRES$^+$ and CARMENES. We report the first detection of CO and evidence for the presence of H$_2$O in the dayside atmosphere of WASP-43b, and further retrieve the temperature profile, chemical abundances, and atmospheric C/O ratio. Our analysis revealed no conclusive evidence of a cloud deck on the planet's dayside. Based on the observed line broadening, we retrieve an equatorial super-rotating jet with a wind speed of 5 km\,s$^{-1}$, in agreement with forward models and low-resolution observations of this planet. Examining WASP-189b's dayside emission, we detect strong signatures of CO and Fe. By integrating a novel two-dimensional wind-induced line profile model with our retrieval framework, we retrieve wind properties and interpreted observed velocity offsets. Our analysis suggest a global day-to-night wind circulation pattern and notably the absence of an equatorial jet. These results provide nuanced insights into planetary atmospheric dynamics, and we discuss how winds and other effects can contribute to the velocity offsets. Lastly, we analyse transit observations of WASP-69b and KELT-11b observed with CARMENES, and find no clear signal for any of the investigated species. While tentative H$_2$O signals are detected close to the expected planetary rest frame for both planets, we can not unambiguously confirm the planetary origin of these signals. We employ two independent approaches to investigate, which combinations of molecular abundances and cloud height would result in the observed tentative signals and non-detection. One method is based on injection-recovery tests, while the other method applies a retrieval framework to constrain the parameter space. We find that both approaches generally provide similar constraints, which we compare to previous studies of these planets.
Keywords: Exoplanet; Atmospheres; High-resolution spectroscopy

German

Hochauflösende spektroskopische Beobachtungen ermöglichen die Untersuchung der Zusammensetzung und Dynamik von exoplanetaren Atmosphären. Absorptions- und Emissionslinien dienen als wertvolle Diagnostik, da ihre Stärke, Position und Form direkt mit den thermischen, chemischen und dynamischen Bedingungen in der Atmosphäre verbunden sind. Insbesondere die relativ starken spektroskopischen Signale von heißen Jupitern (HJs), einer Klasse heißer Gasriesen mit kurzen Umlaufperioden, bieten die Möglichkeit für detailierte atmosphärische Charakterisierungen. Diese Arbeit präsentiert die Analyse von Transmissions- und Emissionsspektren von vier verschiedenen HJs unter Verwendung der hochauflösenden Spektrographen CRIRES$^+$ und CARMENES. Neben dem Nachweis von H$_2$O detektieren wir zum ersten Mal CO in der Atmosphäre von WASP-43b und bestimmen darüber hinaus das Temperaturprofil, die chemischen Häufigkeiten und das atmosphärische C/O-Verhältnis. Unsere Analyse zeigt keine eindeutigen Hinweise auf eine Wolkendecke auf der Tagseite des Planeten. Basierend auf der beobachteten Linienverbreiterung bestimmen wir die Geschwindigkeit eines äquatorialen superrotierenden Jet auf 5 km\,s$^{-1}$, in Übereinstimmung mit Vorwärtsmodellen und niedrigauflösenden Beobachtungen dieses Planeten. Bei der Untersuchung der des Emissionsspektrums von WASP-189b detektieren wir starke Signaturen von CO und Fe. Durch die Integration eines neuen zweidimensionalen Linienprofil-Modells in unser Retrieval-Framework ermitteln wir die Windeigenschaften und interpretieren beobachtete Geschwindigkeitsdifferenzen. Unsere Analyse deutet auf einen globalen Tag-Nacht-Wind und insbesondere auf die Abwesenheit eines äquatorialen Jets hin. Diese Ergebnisse liefern konkrete Einblicke in die planetare Atmosphärendynamik, und wir diskutieren, wie Winde und andere Effekte zu den Geschwindigkeitdifferenzen beitragen können. Schließlich analysieren wir Transmissionsspektren von WASP-69b und KELT-11b, die mit CARMENES beobachtet wurden, und finden kein eindeutiges Signal für alle untersuchten Spezies. Für beide Planeten werden zwar vorläufige H$_2$O-Signale nahe der erwarteten planetaren Geschwindigkeit detektiert, aber wir können den planetaren Ursprung dieser Signale nicht eindeutig verifizieren. Wir verwenden zwei unabhängige Ansätze um zu untersuchen, welche Kombinationen von molekularen Häufigkeiten und Wolkenhöhe zu den beobachteten Signalen und Nicht-Detektionen führen würden. Eine Methode basiert auf Injection-Recovery-Tests, während die zweite Methode ein Retrieval-Framework zur Eingrenzung des Parameterraums verwendet. Wir stellen fest, dass beide Ansätze ähnliche Einschränkungen liefern, die wir mit früheren Studien dieser Planeten vergleichen.
 
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