48
Lecture #5: Introduc/on to Observing Transi/ng Exoplanets Shelley Wright (Dunlap/DAA, University of Toronto) February 3, 2014 AST325/6 – PracHcal Astronomy 20132014

Lecture’#5:’’ Introduc/ontoObserving’ Transing Exoplanets’

  • Upload
    others

  • View
    0

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Lecture  #5:    Introduc/on  to  Observing  Transi/ng  Exoplanets  

Shelley  Wright  (Dunlap/DAA,    University  of  Toronto)  

 February  3,  2014  

AST325/6  –  PracHcal  Astronomy                                2013-­‐2014  

Goals  of  Lab  #5:  Exoplanet  Transits    

•  Learn  about  precision  photometry    •  Hone  skills  with  data  reducHon  techniques  for  imaging  data  

•  Hone  skills  with  astronomical  databases  •  Learn  about  modeling  and  data  comparisons  •  Learn  about  transiHng  exoplanets  and  their  properHes  

1  2014-­‐02-­‐03   S.  Wright  -­‐  AST326  

How  do  we  define  what  a  planet  is?  

•  Given  the  recent  demoHon  of  Pluto  and  the  discovery  of  a  range  of  exoplanets  it  is  important  to  think  about  this  definiHon  

•  This  is  actually  a  controversial  issue  since  some  astronomers  believe  it  should  be  defined  by  mass  and  other  think  it  should  be  defined  by  formaHon  mechanism  

•  The  InternaHonal  Astronomical  Union  (IAU)  has  tried  to  seVle  this  debate,  but  there  are  sHll  a  lot  of  open  quesHons  

2  2014-­‐02-­‐03   S.  Wright  -­‐  AST326  

A  planet  defined  in  our  solar  system  

•  In  2006  the  IAU  define  a  planet:  –  Is  an  object  that  orbits  around  the  Sun  – Has  sufficient  mass  to  assume  hydrostaHc  equilibrium  (aka,  round)  

– Has  “cleared  the  neighborhood”  around  its  orbit  

3  2014-­‐02-­‐03   S.  Wright  -­‐  AST326  

Defini/on  of  an  extrasolar  planet?  •  The  definiHon  of  an  extrasolar  

planets  is  not  fully  seVled,  but  to  first  order  using  mass  as  a  proxy…  

•  An  extrasolar  planet  (exoplanet):  –  An  object  that  orbits  a  star  that  is  below  the  limiHng  mass  to  conduct  any  nuclear  fusion  (<  13  Mjupiter)  

–  The  minimum  mass  would  be  defined  as  the  solar  system  requirement  to  be  large  enough  to  reach  hydrostaHc  equilibrium  

•  Anything  with  a  mass  above  13  Mjupiter  that  conducts  nuclear  fusion  of  deuterium  is  defined  as  a  brown  dwarf  

•  A  star  conducts  nuclear  fusion  of  hydrogen  (>  80  Mjupiter)  

4  2014-­‐02-­‐03   S.  Wright  -­‐  AST326  

Discovering  Exoplanets  •  Direct  method:  

(1)  Direct  imaging  or  high  contrast  imaging  (discussed  in  last  week’s  lecture)  

•  Indirect  methods  (involve  effects  the  planet  exhibit  on  the  host  star):  (2)  Radial  Velocity    

•  We  use  spectroscopy  to  measure  the  “wobble”  the  planet  induces  on  the  host  star    

•  First  method  to  discover  exoplanets  in  1995  (3)  Astrometric    

•  We  use  imaging  to  measure  the  “wobble”  of  the  star  in  the  plane  of  the  sky  

(4)  Mircolensing  •  Study  light  curve  of  a  background  star  that  gets  lensed  by  a  foreground  star,  the  shape  of  the  lens  depends  on  the  mass  distribuHon  of  the  foreground  object  +  planet(s)  

(5)  Transits  •  We  measure  the  drop  in  stellar  flux  as  a  planet  transits  or  eclipses  the  host  star  

5  2014-­‐02-­‐03   S.  Wright  -­‐  AST326  

Exoplanet  Transits  •  DetecHon  is  dependent  on  the  geometry  of  the  system  with  respect  to  our  viewing  orientaHon  from  Earth  – We  need  the  orbit  of  the  exoplanet  to  be  near  edge-­‐on  to  eclipse  the  disc  of  the  star  

6  2014-­‐02-­‐03   S.  Wright  -­‐  AST326  

Inclina/on  of  the  transit  •  To  observe  the  transit  the  inclinaHon  must  be,  

 where  a  is  the  semimajor  axis  and  R*  is  the  radius  of  the  star  and  Rp  is  the  radius  of  the  planet      

acosi ≤ R* + Rp

z  b  =  a  cos  i    

b = acosi

R*  

Rp  

Impact  parameter  (b):  7  2014-­‐02-­‐03   S.  Wright  -­‐  AST326  

8  2014-­‐02-­‐03   S.  Wright  -­‐  AST326  

Observa/onal  Probability  of  a  Transit  

•  The  probability  of  transit  is  the  raHo  of  the  solid  angle  swept  out  by  the  planet  “transit  shadow”  to  the  solid  angle  of  all  possible  orbits  (4π)  

9  2014-­‐02-­‐03   S.  Wright  -­‐  AST326  

Transit  Probability  

•  Angular  extent  of  the  planet  shadow  projected  on  the  celesHal  sphere  is  2R*/a    

•  Therefore  the  probability  (P)  of  a  transit  over  all  possible  orbit  locaHons  given  by  the  true  anomaly  (ν)  is,  

P = 14π

2R*a0

∫ dυ

10  2014-­‐02-­‐03   S.  Wright  -­‐  AST326  

Transit  probability  for  a  circular  orbit  

•  If  you  evaluate  the  probability  over  all  true  anomaly  angles,  

•  This  means  you  have  a  higher  probability  of  detecHng  a  transit  for  a  larger  star  or  planets  that  orbit  closer  to  the  star  

P = 14π

2R*a0

∫ dυ

P = R*a

11  2014-­‐02-­‐03   S.  Wright  -­‐  AST326  

Transit  probability  for  eccentric  orbits  

•  If  the  orbits  non-­‐circular  then  the  probability  is  given  by  the  distance  to  the  planet  (rp),  

•  Where  rp  is  defined  by  the  semimajor  axis  (a),  eccentricity  (e),  and  true  anomaly  (ν),  

P = 14π

2R*rp0

∫ dυ

rp =a(1− e2 )1+ ecosυ

12  2014-­‐02-­‐03   S.  Wright  -­‐  AST326  

Transit  probability  for  eccentric  orbits  

•  Plugging  in  rp  we  get  the  following  integral,  

 •  EvaluaHng  this  integral  leads  to,  

 •  This  means  we  have  a  higher  probability  of  detecHng  more  eccentric  orbits  around  larger  stars  

P = 14π

2R*a(1− e2 )

1+ ecos(υ)0

∫ dυ

P = R*a(1− e2 )

13  2014-­‐02-­‐03   S.  Wright  -­‐  AST326  

Solar  System  Transit  Probability  

•  For  our  solar  system  there  would  only  be  a  small  percentage  probability  of  detecHng  the  transit  

•  This  means  that  you  need  to  monitor  1,000+  stars  to  detect  a  transit  =>  Kepler!  

from  Stephen  Kane  

14  2014-­‐02-­‐03   S.  Wright  -­‐  AST326  

15  2014-­‐02-­‐03   S.  Wright  -­‐  AST326  

Transit  Dura/on  •  An  observing  program  is  designed  around  the  transit  duraHon  Hme  and  frequency  of  transit  (orbital  period  of  planet)  

•  From  Kepler’s  third  law  the  orbital  period  is,      •  The  transit  duraHon  is  also  dependent  on  the  crossing  path  across  the  stellar  disk,  i.e.  the  impact  parameter  (b)  

P = 4π 2a3

GM*

16  2014-­‐02-­‐03   S.  Wright  -­‐  AST326  

Transit  Dura/on  

•  The  length  of  the  transit  is,  

•  The  angle  (α)  crossed  by  the  planet    during  transit  is,    

l = (R* + Rp )2 − b2

OBSERVER  

sin(α2) = l

a

17  2014-­‐02-­‐03   S.  Wright  -­‐  AST326  

Transit  Dura/on  

•  The  Hme  for  the  planet  to  traverse  A  to  B,    

OBSERVER  

Tduration = Pα2π

Tduration =Pπsin−1 l

a=Pπsin−1

(R* + Rp )2 − b2

a

18  2014-­‐02-­‐03   S.  Wright  -­‐  AST326  

Transit  light  curves  •   What  is  causing  the  differences  in  these  transit  light  curves?  

19  2014-­‐02-­‐03   S.  Wright  -­‐  AST326  

Principles  of  photometry  

•  The  light  from  a  star  is  spread  over  several  pixels  non-­‐uniformly  

•  How  do  we  sum  the  light  to  get  a  measure  of  the  total  flux  from  the  star?  –  IdenHfy  the  locaHon  of  the  star  – Select  the  associated  pixels  that  contain  the  stellar  flux  by  generaHng  a  masking  region  

– Sum  up  the  light  •  Ensure  that  the  noise  and  background  is  not  included  

20  2014-­‐02-­‐03   S.  Wright  -­‐  AST326  

Determining  the  center  

•  For  each  star  we  can  find  its  centroid  by  determining  the  first  moments  along  a  2d  array,  

where  I  is  the  intensity  at  each  pixel  locaHon  (x,y)  

x =xiIi

i∑

Iii∑

y =

yjI jj∑

I jj∑

21  2014-­‐02-­‐03   S.  Wright  -­‐  AST326  

Aperture  photometry  

•  How  would  you  define  the  aperture  mask  on  the  star?  – What  radius  of  an  aperture?  – Where  would  you  define  the  sky  region?  

Sky  annulus  

aperture  Sky  annu

lus  

aperture  

22  2014-­‐02-­‐03   S.  Wright  -­‐  AST326  

 Photometric  Model  

•  Star  –  Brightness  –  Center  (x0,  y0)  –  Width  (σ)  

•  Sky  background  in  annulus  –  B  

•  Detector  –  QE,  readnoise,  dark  current  

•  Aperture  sizes  –  r1,  r2,  r3  

r1  

r2   r3  

23  2014-­‐02-­‐03   S.  Wright  -­‐  AST326  

Photometric  Model  

•  Write  down  an  expression  for  the  signal,  Si  ,  in  units  of  photoelectrons  –  In  an  individual  pixel  

–  Fi  is  the  stellar  signal  =  fi  t    at  pixel  i  [e-­‐  ]  •  Different  for  every  pixel  

–  Qi  is  the  dark  charge  =  ii  t  [e-­‐]  in  a  given  pixel  •  The  dark  current  iivaries  from  pixel  to  pixel  •  For  SNR  model  assume  constant  

–  Bi    is  the  sky  background  =  bit  assumed  uniform  [e-­‐  ]  •  Varies  from  pixel  to  pixel,  for  SNR  model  assume  constant  

–  Ei    is  the  readout  electronic  offset  or  bias  [e-­‐  ]  •  Varies  from  pixel  to  pixel,  for  SNR  model  assume  constant    

Si = Fi + Bi +Qi + Ei

24  2014-­‐02-­‐03   S.  Wright  -­‐  AST326  

The  Stellar  Signal  •  The  stellar  signal  is  found  by  subtracHng  the  background  from  Si  and  

summing  over  the  N  pixels  that  contain  the  star  

•  Error  in  FN  is  due  to  noise  in  the  signal  itself,  FN  •  Noise  due  to  dark  charge  per  pixel,  Qi  •  Noise  from  the  background  per  pixel  (e.g.,  from  atmosphere),  Bi  •  The  read  out  noise  σRO2  can  define  the  Error,  Ei  

Fi = Si − Bi +Qi + Ei( )FN = Fi

i=1

N1

∑ = Si − Bi +Qi + Ei( )i=1

N1

∑N1 = πr1

2

;  Flux  per  pixel  

;  Total  flux  of  star  in    circular  aperture  

25  2014-­‐02-­‐03   S.  Wright  -­‐  AST326  

Noise  in  the  stellar  aperture  •  The  total  noise  is  a  funcHon  of  the  Poisson  noise  of  the  stellar  signal  

and  noise  (background,  dark  current,  readnoise)  in  the  stellar  aperture  (N1)  

FN = Fii=1

N1

∑ = Si − Bi +Qi +Ei( )Background

#

$

%%

&

'

((i=1

N1

∑N1  

•  Where  <B>  and  <Q>  is  the  mean  background  and  dark  current  per  pixel  and  N1  =  πr12  

σ F2 = FN

Poisson signalnoise + N1 B + Q +σ RO

2( )Poisson noisewithin r1

26  2014-­‐02-­‐03   S.  Wright  -­‐  AST326  

Including  all  noise  sources  

σ Sky2 = B + Q +σ RO

2( ) / N23

r1  

r2   r3  

•  You  must  also  include  the  noise  from  the  background  annulus  (N23),  

N1 = πr12

Star , N23 = πr3

2 −πr22

Sky

σ F2 = FN

Poisson signalnoise + N1 B + Qd +σ RO

2( )Poisson noisewithinr1

+ N1 B + Qd +σ RO

2( ) / N23

Poisson noisewithinr2<r<r3

•  Then  you  get  the  total  noise  source  from  stellar  aperture  and  sky  annulus,  

N1  

N23  

27  2014-­‐02-­‐03   S.  Wright  -­‐  AST326  

Signal-­‐to-­‐noise  ra/o  for    aperture  photometry  

•  How  do  we  choose  r1  ,  r2  ,  r3?  –  Signal  increases  with  N1  –  Noise  increases  with  N1  and  decreases  with  N23  

SNR =FNSignal

FNSignal Noise + N1 B + Q + σ RO

2( )SkyDark&RONinstar aperture

+ N1 B + Q + σ RO

2( ) /N23

SkyDark&RONinskyaperture

For  more  generalized  with  N  number  of  frames  see  Mclean,  “Electronic  Imaging  in  Astronomy”  

28  2014-­‐02-­‐03   S.  Wright  -­‐  AST326  

How  does  flux  change    with  aperture  radius?  

•  Suppose  the  stellar  signal  has  a  2-­‐d  Gaussian  shape  

– This  tells  us  how  FN  changes  with  aperture  radius  �

Fi =F02πσ 2 exp −

12

riσ

⎛ ⎝

⎞ ⎠

2⎡

⎣ ⎢

⎦ ⎥ i

, ri2 = (x − x0 )

2 + (y − y0 )2

FN = 2π rFi0

r1∫ dr

29  2014-­‐02-­‐03   S.  Wright  -­‐  AST326  

Stellar  profile  and  integral  •  You  can  determine  

what  percentage  of  light  is  found  per  aperture  radius  –  Useful  for  determining  aperture  radii  

–  Useful  when  you  need  to  use  “aperture  correcHon”    •  When  the  total  flux  is  outside  the  aperture,  like  for  crowded  field  photometry  

–  Useful  for  defining  SNR  per  radius  

30  2014-­‐02-­‐03   S.  Wright  -­‐  AST326  

Measurements  for  the  host  star  and  reference  stars    

•  Use  a  file  or  files  to  save  all  measurements:  

;  Wasp-­‐36b  14-­‐02-­‐2013  UTC  ;  UT  Flux  Error  04:53:20  11003.2  143.042  04:54:32  11204.1  145.653  04:55:59  10870.5  121.316  04:57:10  10900.3  169.003  04:58:21  11123.2  142.312  05:00:14  11067.4  122.457  05:02:03  11233.5  103.013  05:03:14  10099.6  124.999  .  .  .    

;  Reference  Star  3  (11:41:36.2  +26:33:22.2)  14-­‐02-­‐2013  UTC  ;  UT  Flux  Error  04:53:20  9003.2  91.34  04:54:32  9230.4  101.345  04:55:59  9789.4  111.223  04:57:10  9024.3  93.245  04:58:21  9102.3  95.435  05:00:14  9148.3  96.456  05:02:03  8912.4  97.689  05:03:14  8999.3  93.456  .  .  .    

31  2014-­‐02-­‐03   S.  Wright  -­‐  AST326  

Selec/ng  reference  stars  •  Select  reference  stars  (blue)  with  comparable  brightness  and  sources  with  good  signal-­‐to-­‐noise  –  Choose  has  many  sources  has  possible  to  get  a  reference  level  across  the  enHre  detector  

•  Do  not  select  reference  stars  (red)  that  have  nearby  stars  –  this  can  cause  problems  with  blending  in  the  photometry  

Host  star  

32  2014-­‐02-­‐03   S.  Wright  -­‐  AST326  

Selec/ng  reference  stars  •  Select  reference  stars  (blue)  with  comparable  brightness  and  sources  with  good  signal-­‐to-­‐noise  –  Choose  has  many  sources  has  possible  to  get  a  reference  level  across  the  enHre  detector  

•  Do  not  select  reference  stars  (red)  that  have  nearby  stars  –  this  can  cause  problems  with  blending  in  the  photometry  

Host  star  

33  2014-­‐02-­‐03   S.  Wright  -­‐  AST326  

Weighted  average  of  reference  stars  

•  To  generate  a  reference  light  curve  you  take  the  weighted  average  per  image  of  reference  stars  – However  you  sHll  need  to  plot  all  reference  stars  light  curves  together  to  see  if  there  are  any  outliers  •  also  check  SIMBAD  to  see  the  reference  star  spectral  types  and  potenHal  variability  

wi =1σ i2 x =

wiσ ii=1

n

wii=1

n

∑;  where  i  is  the  number  of  stars  

 per  image  (UT)  

34  2014-­‐02-­‐03   S.  Wright  -­‐  AST326  

Flux  ra/o  between  reference  and  science  target  

•  Use  the  reference  light  curve  to  verify  that  flux  variaHon  are  intrinsic  to  science  target  

•  Take  the  science  target  light  curve  and  divide  by  the  reference  light  curve  

•  Normalize  the  raHo  to  unity,  the  fracHon  of  light  when  not  obscured  by  the  planet  should  be  around  1.0  and  less  then  1.0  when  eclipsed  

fnsci

xnref

;  where  n  is  number  of  Hme  measurements  

35  2014-­‐02-­‐03   S.  Wright  -­‐  AST326  

Generate  a  light  curve  

•  Plot  flux  with  errors  verses  UT  Hme  •  Bin  data  in  larger  Hme  intervals  using  a  weighted  average    

36  2014-­‐02-­‐03   S.  Wright  -­‐  AST326  

Frac/onal  flux  difference  

•  The  radius  of  the  planet  is  related  to  the  fracHonal  change  in  the  flux  of  the  star  

•  This  means  for  Rp  =  1  Mjupiter  around  a  solar-­‐type  star  the  transit  depth  is  around  ~1.1%  

•  For  an  Earth-­‐size  planet  around  a  solar-­‐type  star  the  transit  depth  would  be  ~0.0084%  

δ =ΔFF

=RPR*

"

#$

%

&'

2Sun  &  Jupiter    

to  scale  

37  2014-­‐02-­‐03   S.  Wright  -­‐  AST326  

Proper/es  from  transit  light  curves  

•  Transit  depth  yields  the  radius  of  planet  (Rp)  •  DuraHon  of  transit  and  ingress  yields  the  inclinaHon  (i)  and  (with  monitoring)  the  period  of  orbit  (P)  

•  Since  the  inclinaHon  is  constrained  you  can  esHmate  the  mass  of  the  planet  (Mp)  

•  Given  the  mass  of  the  planet  you  can  esHmate  the  density  of  the  planet  (ρp)  

•  The  shape  of  the  boVom  of  the  light  curve  can  be  used  to  fit  limb  darkening  

38  2014-­‐02-­‐03   S.  Wright  -­‐  AST326  

Limb  darkening  •  Flux  from  a  stellar  disk  is  non-­‐uniform  since  opHcal  depths  (τ)  for  a  given  viewing  angle  probes  a  different  depth  interior  to  the  star  

•  EffecHvely,  for  a  given  viewing  angle  you  observe  a  different  effecHve  temperature  and  density  interior  to  the  star  

θ  

39  2014-­‐02-­‐03   S.  Wright  -­‐  AST326  

Limb  darkening  •  Flux  from  a  stellar  disk  is  non-­‐uniform  since  opHcal  depths  (τ)  for  a  given  viewing  angle  probes  a  different  depth  interior  to  the  star  

•  EffecHvely,  for  a  given  viewing  angle  you  observe  a  different  effecHve  temperature  and  density  interior  to  the  star  

1  Op/cal  Depth  (τ)  

λ  

Fλ  

40  2014-­‐02-­‐03   S.  Wright  -­‐  AST326  

Limb  darkening  effects  

planethunters.org  –  Jan  21,  2013  

•  Light  curves  with  and  without  limb  darkening  with  differing  impact  parameters  (b)  

41  2014-­‐02-­‐03   S.  Wright  -­‐  AST326  

FiWng  for  limb  darkening  

•  Modeling  limb  darkening  in  our  transit  curves  is  non-­‐trivial  and  there  are  several  fi�ng  methods  used  

•  Intensity  variaHon  are  determined  from  stellar  atmosphere  models  (e.g.  Phoenix)  where  its  dependent  on  viewing  angle  – This  is  modeled  then  for  a  given  filter  bandpass  and  fiVed  with  limb  darkening  laws  •  Linear    (e.g.    •  QuadraHc  •  Non-­‐linear  laws  

I(µ)I(µ =1)

=1−µ(1−µ) ;  where  μ=cos(θ)  and    μ=1  is  intensity  at  center  of  star)  

42  2014-­‐02-­‐03   S.  Wright  -­‐  AST326  

Ingress  and  egress  of  transit  

•  Ingress  is  the  iniHal  slope  downwards  as  the  planet  parHally  eclipses  

•  Egress  is  the  slope  upwards  as  the  planet  parHally  eclipses  

•  The  shape  of  ingress  and  egress  are  effected  by  limb  darkening  

S.  Seager  

tF  =  Full  depth  eclipse  duraHon  tT  =  Transit  duraHon  between  start  of    

 ingress  and  end  of  egress  

43  2014-­‐02-­‐03   S.  Wright  -­‐  AST326  

Approxima/ng  inclina/on  from    light  curve  

•  You  can  approximate  the  impact  parameter  with  the  observed  transits  Hmes  (tF  and  tT)  and  flux  raHo  (δ)  – Assuming  a>>R*  and  πtT<<  P,  

– Now  you  can  solve  for  inclinaHon  assuming  circular  orbit,  

b = (1− δ )2 − (tF / tT )2 (1+ δ )2

1− (tF / tT )2

;  b,  impact  paramter  

i = cos−1 bR*a

"

#$

%

&'

Aude  Alapini,  PhD  thesis  Seager  &  Mallen-­‐Ornelas  et  al.  2003,  ApJ  44  2014-­‐02-­‐03   S.  Wright  -­‐  AST326  

Approxima/ng  the  orbital  period  from  light  curve  

•  Under  the  approximaHon  that  Mp  <<  M*  and  using  Kepler’s  3rd  law  you  can  determine  the  orbital  period  (P)  with  transit  Hmes,  flux  raHo,  stellar  mass  and  radius,  

Aude  Alapini,  PhD  thesis  Seager  &  Mallen-­‐Ornelas  et  al.  2003,  ApJ  

P = M*Gπ (tT2 − tF

2 )3/2

32R*3δ3/4

45  2014-­‐02-­‐03   S.  Wright  -­‐  AST326  

Es/ma/ng  the  density  of  the  planet  

•  Using  the  Exoplanet  Encyclopedia  find  the  planet  mass  (Mp)  of  the  transiHng  system  

•  Use  this  mass  and  it’s  associated  error  to  esHmate  the  density  of  your  observed  planet  (ρp)  

•  This  is  crucial  for  understanding  interior  composiHon  of  planets  –  Does  the  density  indicate  its  gaseous  or  terrestrial?    

–  Is  it  greater  than  Jupiter’s  density?  

Gillon  et  al.  2009,  A&A  46  2014-­‐02-­‐03   S.  Wright  -­‐  AST326  

Propaga/ng  errors  

•  You  will  need  to  determine  the  error  in  the  radius  (Rp)  and  density  (ρp)  of  planet,  e.g.,    

– Determine  the  weighted  average  error  at  the  boVom  of  the  light  curve  (ΔF)  and  top  of  light  curve  (F)  

– Use  the  reported  error  in  the  radius  of  the  star  (R*)  •  Determine  error  in  Rp  using  standard  error  propagaHon  equaHon,  i.e.,  

σ a2 =σ b

2 ∂a∂b"

#$

%

&'b

2

+σ c2 ∂a∂c"

#$

%

&'c

2

+...

Rp = R*ΔFF

47  2014-­‐02-­‐03   S.  Wright  -­‐  AST326