Kurzfassung
Wenn die Orientierung der Planetenbahn gÃ1nstig ist, koennen wir den Durchgang eines extra-solaren Planeten vor seinem Zentralstern indirekt beobachten. Bei diesem Ereignis verringert sich die beobachtete Helligkeit des Sterns um einen kleinen Betrag. Durch die Analyse dieser peri- odischen Helligkeitsveränderungen können wir die Planetengrösse in Einheiten der Sterngrösse ab- schätzen. Auf diesem Prinzip basiert die Transitmethode. Der Exoplanet HD 209458b, ein sogenan- nter Hot-Jupiter, stellt einen Meilenstein der Exoplanetenforschung dar, weil es der erste Exoplanet war, dessen Transit beobachtet werden konnte. Seitdem war die Transitmethode verantwortlich für ein Drittel aller Entdeckungen extrasolarer Planeten, der Radialgeschwindigkeitsmethode in Effizienz folgend. Im Gegensatz zu den Planeten unseres Sonnensystems, welche in situ und einzeln unter- sucht werden können, können extrasolare Planeten aufgrund ihrer Entfernung nur zusammen mit ihren Zentralsternen beobachtet werden. Eine exakte Charakterisierung eines Exoplaneten setzt daher ein genaues Verständnis vieler Aspekte der stellaren Astrophysik voraus. Meine Arbeit konzentriert sich daher auf die Charakterisierung Transit zeigender Planeten sowie ihrer Zentralsterne.
Von der ersten Entdeckung eines Exoplaneten vor fast zwanzig Jahren an haben sich die Beobachtungsmethoden zusammen mit den zur Entdeckung extrasolarer Planeten entwickelten Instrumenten rapide verbessert. Deshalb haben sich die Entdeckungsrate und unser Wissen über ex- trasolare Planeten ebenfalls gesteigert. Am Anfang wurden aufgrund ihrer Einfachheit hauptsächlich die Radialgeschwindigkeits- und die Primärtransitmethode verwendet. Heutzutage können wir unsere Studien extrasolarer Planeten durch neue Techniken erweitern.
Als Ausgangspunkt konzentriere ich mich auf WASP-33, welches sicherlich ein einzigartiges System darstellt. Der Zentralstern ist ein δ Scuti-Stern, der ausgeprägte Pulsationen mit Perioden von etwa einer Stunde und Amplituden im Millimagnituden-Bereich zeigt. Der Exoplanet, welcher über seinen Transit entdeckt wurde, ist der heisseste bislang bekannte Exoplanet. Aufgrund der Tatsache, dass die Pulsationen des Zentralsterns zu einer vollständigen Deformierung des Primärtransits führen, charakterisiere ich mit Hilfe eines umfangreichen photometrischen Datensatzes das Pulsationsspektrum des WASP-33A und identifiziere acht signifikante Pulsationsfrequenzen, welche wahrscheinlich mit p-Wellen niedriger Ordnung verbunden sind. Anschliessend wende ich die Erkenntnisse über die Pulsationen an, um die Primärtransitlichtkurven zu bereinigen und führe eine verbesserte Transitmodellierung mit den pulsationsfreien Primärtransits durch. Das Hauptziel dabei ist, zu analysieren in welchem Ausmass die stellaren Pulsationen die Charakterisierung von Exoplaneten beeinflussen.
Die polarimetrische Detektion des durch einen Exoplaneten gestreuten Sternlichts eröffnet neue Möglichkeiten, etwas über die Bedingungen in seiner Atmosphäre zu lernen. Ein Teil meiner Arbeit beinhaltet daher die Untersuchung des WASP-33-Systems im Hinblick auf sein Polarisationssignal. Da extrem genaue Messungen, die grosse Mengen stellarer Photonen sammeln, notwendig sind um das helle unpolarisierte Sternlicht von dem schwachen Licht zu unterscheiden, das von der Atmosphäre des Exoplaneten polarisiert wurde, entwickle ich eine neue Methode, die es ermöglicht das Sternlicht ef- fizient zu sammeln, um das hohe Signal-Rausch-Verhältnis zu erreichen, welches benötigt wird um das polarisierte exoplanetare Signal von dem Rauschen zu trennen.
Ungeachtet der technischen Verbesserungen ist die Transitmethode beschränkt auf die Detektion relativ grosser Planeten in engen Umlaufbahnen um ihre Zentralsterne. Obwohl es sich so anhören mag, dass die Anwendbarkeit der Methode auf grosse Planeten beschränkt ist, ergeben sich weitere Möglichkeiten: Von den Verschiebungen in den Zeitpunkten der Transits der Gasriesen kann man auf die Anwesenheit kleinerer Planeten schliessen. Aufgrund dessen beschäftigt sich ein weiterer Teil meiner Arbeit mit der Untersuchung von Primärtransitlichtkurven mit dem Ziel die Untersuchung von Exoplaneten zu erweitern. Um dieses zu erreichen, beobachte ich Qatar-1, einen Hot-Jupiter, der einfach zu detektierende tiefe Transitstrukturen zeigt. Anfänglich zeigten sich Anhaltspunkte fÃ1r mögliche Langzeitvariationen der Transitzeitpunkte, die mit verschiedenen dynamischen Szenarios reproduziert werden konnten. Weiterführende Primärtransitbeobachtungen konnten diese Ergebnisse jedoch nicht bestätigen.
Die Untersuchungen in dieser Arbeit veranschaulichen insgesamt das Potential photometrischer Daten, indem sie zeigen wie tief wir durch ihre Analyse in extrasolare Systeme blicken können.
Only when a planetary orbit is favorably aligned, we can indirectly observe an extrasolar planet crossing its parent star disk. when these events occur, the observed brightness of the star drops a small amount. By analyzing this periodic variations we can estimate the planetary siye in terms of the siye of its host. This is the foundation of the transit method. In this context, the hot Jupiter HD 209458b represents a milestone in extrasolar planet research, because it was the first transiting system ever found. Since then, the transit method has been responsible for one third of the extrasolar planet discoveries, following the radial velocity technique in efficiency. In contrast to the planets of our Solar System, which can bestudied in situ and individually, the large distances to extrasolar planets imply that they can usually be only observed together with their host stars. A proper characterization of an exoplanet requires, in consequence, a thorough understanding of many aspects of stellar astrophysics. Therefore, my thesis focuses on the characterization of transiting exoplanets as well as their host stars. From the first discovery of an exoplanet almost 20 years ago, the observing techniques along with the instruments developed to detect exoplanets have been rapidly improving. Therefore, the rate of detection and our knowledge about extrasolar planets have been increasing as well. In the beginning, and due to their simplicity, the radial velocity and the primary transit method were mainly used. Nowadays we can extend our studies about extrasolar planet characteriyation by means of new techniques. As starting point I focus on WASP-33 which defines, certainly, a system that is one of a kind. The host star is a delta scuti star that shows pronnounced pulsations with periods on the order of one hour and amplitudes in the milli-magnitude regime. The exoplanet, that has been detected through its transits, is the hottest one known to date. Showing an unusual large radius, WASP-33b belongs to the class of anomalously inflated exoplanets. Since the host star pulsations completely deform the primary transit feature, by means of an extensive photometric data set I characterized the pulsation spectrum of WASP-33A, identifying eight significant pulsation frequencies, which are likely to be associated with low-order p-modes. Afterward, I use the knowledge of the pulsations to clean the primary transit light curves, carrying out an improved transit modeling by means of pulsation-free primary transits. The main goal is to analyze to which extent do the stellar pulsations affects the exoplanet characterization. The polarimetric detection of the reflected stellar light that is scattered by an exoplanet opens new opportunities to learn about the conditions in their atmospheres. Therefore, a part of my work involves the study of WASP-33 system but, in this opportunity, with respect to its polarization signal. Since extremely accurate measurements collecting large amounts of stellar photons are required to separate the bright unpolarized stellar light from the faint light that has been polarized by the exoplanetary atmo- sphere, I develop a new method capable to collect stellar light efficiently, in order to achieve the high signal-to-noise required to disentangle the exoplanetary polarized signal from the noise. Despite the improvements in technology, the transit method is mainly restricted to the detection of relatively large planets in close orbits around their parent stars. Although it might sound that the ability of the method is narrowed down to large planets, this is not the complete picture. By the variations in the timings of gas giants one can infer the presence of smaller planets. Therefore, a further part of my work involves the study of primary transit light curves with the main goal to extend the exoplanetary quest. To accomplish this I observe Qatar-1, a hot Jupiter presenting deep primary transit features easily to detect. Initially, there were indications for possible long-term transit timing variations, which could be reproduced by considering different dynamical scenarios. However, further primary transit observations could not replicate the same results. All together, the studies produced in this work demonstrate the power of photometric data, showing how deep can we look into an extrasolar system by analyzing them.