Show simple item record

Timing of stellar pulsations to search for sub-stellar companions beyond the main sequence

dc.contributor.advisorSchuh, Sonja Dr.
dc.contributor.authorMackebrandt, Felix
dc.date.accessioned2020-08-27T07:56:47Z
dc.date.available2020-08-27T07:56:47Z
dc.date.issued2020-08-27
dc.identifier.urihttp://hdl.handle.net/21.11130/00-1735-0000-0005-146A-E
dc.identifier.urihttp://dx.doi.org/10.53846/goediss-8177
dc.language.isoengde
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
dc.subject.ddc530de
dc.titleTiming of stellar pulsations to search for sub-stellar companions beyond the main sequencede
dc.typedoctoralThesisde
dc.contributor.refereeSchuh, Sonja Dr.
dc.date.examination2020-07-22
dc.subject.gokPhysik (PPN621336750)de
dc.description.abstractgerSterne verbringen den Großteil ihres Lebens auf der Hauptreihe (HR). Die gravierendsten Veränderungen geschehen jedoch abseits der HR, entweder zuvor auf der pre-HR oder folgend auf der post-HR. Durch sehr komplexe und variierende dynamische Prozesse, unterscheidet sich die Entwicklung von Planeten in nicht-HR Sternsystemen signifikant von der Entwicklung von Planeten in HR Sternsystemen. Diese Arbeit legt ihren Fokus auf die Suche nach sub-stellaren Begleitern in post-HR Systemen und auf die Bestimmung des evolutionären Stadiums derer Zentralsterne, insbesondere bei heißen Unterzwergen des Spektraltyps B (engl.: subdwarf B, kurz: sdB), auch Blaue-Unterzwerge genannt. Solche sdB-Sterne sind freigelegte, heliumbrennende Kerne, von vormals Roten-Riesen, mit einer dünnen Wasserstoffatmosphäre. Deren kanonische Entstehung beschreibt die Entwicklung in einem Doppelsternsystem. Entstehungsszenarien für einzelne sdB-Sterne werden jedoch kontrovers diskutiert und sind nur schwer mit Beobachtungen zu verifizieren. Neben der Verschmelzung von zwei heliumdominierten Weißen Zwergen, könnten auch Planetensysteme zur Bildung von sdB-Sternen beitragen. Während der Roten-Riesen-Phase, würde der Stern einen seiner Riesenplaneten in eine gemeinsame Hülle einschließen, was letztendlich zum Verlust der Hülle führt. Somit erweisen sich sdB-Sterne als Testobjekte, das Überleben von Planeten zu prüfen, sowie den Einfluss der Planeten auf die Spätphasen stellare Entwicklung zu beobachten. Die schnellen Pulsationen von sdB Sternen können, mit Hilfe von periodischen Veränderungen in den zu erwarteten Ankunftszeiten der Pulsationsmaxima, zur Detektion von sub-stellaren Begleitern genutzt werden. Diese Methode der Lichtlaufzeitmessungen ist besonders sensitiv für Begleiter mit großer Distanz zu ihrem Zentralstern und damit komplementär zu anderen Detektionsmethoden. Denn andere Detektionsmethoden sind bei Sternen mit hoher Oberflächengravitation und kleinen Radien weniger aussagekräftig. Damit eröffnet die Methode der Lichtlaufzeitmessungen eine Möglichkeit für Entdeckungen von bisher nicht erforschbaren Planetensystemen und hilft somit den Entstehungsprozess von sdB-Sternen besser zu verstehen. In dieser Arbeit habe ich die Methode der Pulsations-Lichtlaufzeitmessungen implementiert, getestet und zur Suche nach sub-stellaren Begleitern bei Systemen in den Spätphasen stellarer Entwicklung angewandt. Die Methode ist bereits etabliert, bisher jedoch nicht für eine automatische Anwendung auf lange Beobachtungsreihen in hoher zeitlicher Auflösung, wie z.B. von Weltraumteleskopen, optimiert. Teil I dieser Arbeit gibt eine Einleitung zu extrasolaren Planeten, sowie auch zur Entstehung und Eigenschaften von sdB-Sternen. Teil II und III beschreiben die bodengebundenen Langzeitbeobachtungen der vier schnell pulsierenden sdB-Sterne DW Lyn, V1636 Ori, QQ Vir und V541 Hya. Mit Hilfe dieser Daten werden die Veränderungen der Pulsationsperioden gemessen. Diese Ergebnisse lassen auf das evolutionäre Stadium der Sterne schließen und werden mit theoretischen Sternentwicklungsmodellen verglichen. Weiterhin setzen die Ergebnisse der Beobachtungen Grenzwerte für die Masse und Umlaufdauer möglicher sub-stellarer Begleiter. Im Widerspruch zu vorhergehenden Studien, können potentielle Detektionen von Begleitern nicht bestätigt werden. Teil IV beschreibt die Anwendung der implementierten Methode der Pulsations-Lichtlaufzeitmessungen auf andere Sterne und Datensätze. Im Vergleich zu bodengebundenen Observatorien bieten weltraumgestützte Teleskope den Vorteil der ununterbrochenen Beobachtung. Observatorien wie das Kepler Weltraumobservatorium, TESS oder die geplante PLATO Mission, liefern eine große Anzahl von Beobachtungszielen. Neben sdB-Sternen ist die Klasse der pulsierenden deltaScuti (delta Sct) Sterne ein hervorragendes Ziel für Lichtlaufzeitmessungen. delta Sct Sterne sind in einem Entwicklungsstadium jenseits der HR und in der Spektralklasse A zu finden. Vorhergehende Studien haben aus Beobachtungen des Kepler Weltraumteleskops einen planetaren Begleiter um den Stern KIC 791748 offenbart. Mit der in dieser Arbeit implementierten Methode der Pulsations-Lichtlaufzeitmessungen kann das Signal dieses Begleiters aus den Daten gewonnen und somit die Implementierung validiert, sowie eine unabhängige Bestätigung dieser Planetenentdeckung erbracht werden. Teil V diskutiert die vorhergehenden Ergebnisse und liefert einen Ausblick auf weitere Anwendungen.de
dc.description.abstractengStars spend most of their life on the main sequence (MS). But their most substantial changes occur off the MS stage, either before on the pre-MS or beyond at the post-MS phase. Due to very complex and varied dynamical processes, the evolution of planetary systems orbiting non-MS stars significantly differs from those of MS planetary systems. This work focusses on the search for sub-stellar companions in post-MS systems and determination of the evolutionary state of their host stars, especially subdwarf B stars (sdB stars). These are stripped Helium-burning cores of red giants with a thin hydrogen atmosphere. The canonical model involves binary evolution to explain the existence of sdB stars. Formation scenarios for single sdBs are more controversially discussed and can be hard to reconcile with observational properties. Besides the merger of two helium white dwarfs or other merger processes for apparently single sdB stars, an alternative formation channel involves planetary systems. During the red giant phase, the star would develop a common envelope with a giant planet that leads to the loss of the envelope. Thus, sdB stars are laboratories to test how planets survive and influence the late phases of stellar evolution. The rapid pulsations of sdB stars can be used to detect sub-stellar companions from periodic variations in the expected arrival times of the pulsation maxima. This timing method is particularly sensitive to companions at large distances and complementary to other exoplanet detection methods because they are not efficient for stars with small radii and high gravities. Thus, the timing method opens up a new parameter range in terms of the host stars and helps to understand the formation process of single sdBs. In this work I implemented, tested and applied the pulsation timing analysis to search for sub-stellar companions in late evolutionary stage stellar systems. The method is already established in the literature but not to an extent which is capable of automatically processing long-time series of high-cadence data, i.e., from space born observations. Part I provides an introduction to extrasolar planets, and to the formation and properties of sdB stars. Part II and III describe the long-term ground-based observations of four rapidly pulsating sdB stars DW Lyn, V1636 Ori, QQ Vir and V541 Hya. The data are used to measure the secular drifts in pulsation periods. The results constrain the evolutionary state of these stars and are compared to theoretical predictions of stellar evolutionary models. Furthermore, the measurements set limits to masses and orbital periods of sub-stellar companions. In contrast to previous studies, tentative companion detections are not confirmed. Part IV describes the application of the implemented timing analysis to other pulsating stars and data sets. Compared to ground-based observatories, satellite-based telescopes offer the advantage of uninterrupted observations. Observatories like Kepler, TESS or the upcoming PLATO mission provide a large sample of targets. Besides sdB stars, delta Scuti (delta Sct) pulsators are excellent stars to apply the timing method on. delta Sct stars are evolved beyond the MS and of spectral type A. From Kepler observations, previous studies revealed a planetary companion orbiting the delta Sct star KIC 791748. The implemented timing analysis of this work is applied to these data and can recover the planetary signature, validating the implementation at hand and independently confirming the planetary companion discovery. Part V discusses the results of this thesis and provides an outlook to further applications.de
dc.contributor.coRefereeDreizler, Stefan Prof. Dr.
dc.subject.engstars: horizontal-branchde
dc.subject.engplanets and satellites: detectionde
dc.subject.engsubdwarfsde
dc.subject.engasteroseismologyde
dc.subject.engtechniques: photometricde
dc.identifier.urnurn:nbn:de:gbv:7-21.11130/00-1735-0000-0005-146A-E-8
dc.affiliation.instituteFakultät für Physikde
dc.identifier.ppn1727946464


Files in this item

Thumbnail

This item appears in the following Collection(s)

Show simple item record