High resolution imaging observations of exoplanet host stars

Abstract

This is a thesis project, analysing data from high-resolution imaging observations, specifically speckle imaging, as a follow up study of exoplanet host stars observed with K2, the second operational phase of the space telescope Kepler. The project was accomplished at NASA Ames research center under the guidance of Rachel A. Matson, during an internship in collaboration with the Swedish National Space Agency. The speckle imaging data is from observations with the instruments DSSI and NESSI conducted at the twin telescopes Gemini, in Chile and Hawaii, and WIYN in Arizona.
The main goal of these observations is to identify possible binary or multiple stellar systems. Scientists have long been interested in binary systems mostly because they are not well understood and are a good laboratory for interesting phenomena such as planet formation. In this sample there are only binaries.

With speckle imaging we can resolve stellar companions with angular separation less than 1.2″, by taking 40 ms images. From these images we can resolve all the stars and extract the following parameters; the position angle, the magnitude difference and the angular separation between the two stars. These parameters are then used to estimate properties for each system studied in this project, aiming to better understand properties of binary stellar systems in our Galaxy.

In this project I have determined the following properties; The physical separation, the masses of the individual stars and the orbital period. Out of the total 100 potential stellar binaries 26 are most likely bound. The stars in the sample have masses in the range 0.2 - 2 solar masses. The systems consist of components that are usually far from each other, up to 850AU and the closest pair at about 7AU. The orbital period ranges from 15 to over 10000 years, most of them being within 3000 years.
These calculations are at best good estimates of reality. However, this sample still provides a worthy sample of stellar binaries to study further. The results were also compared in detail to a study of the stellar binaries in the solar neighbourhood, Raghavan et al.(2010), looking into similarities and differences. It was found that the distributions and trends of the properties agree well with Raghavan et al.(2010) and other work.

I find that in my sample the fraction of detected companions is roughly 14%. Because the telescopes have different detection limits the observations were also separated according to telescope; the fraction for Gemini is 15% and for WIYN 8%.

Popular Abstract (Swedish)

Stjärnor sägs vara astronomins tidskapsel, genom att studera stjärnor kan vi bättre förstå många fenomen. Stjärnor är en viktig del av vårt universum från det att de skapas till det att de dör. De berikar vårt universum med olika grundämnen som krävs för att planeter ska bildas och för att liv ska uppstå. Det verkar då självklart varför man vill undersöka och förstå alla aspekter kring stjärnbildning, stjärnornas livsutveckling och olika stjärnsystem.

Stjärnor bildas från gasmoln, som består av mestadels väte och helium. Ur ett sådant moln kan många stjärnor i olika storlekar bildas. I den enklaste mening är en stjärna en gas boll, som lyser tack vare förbränning av väte till helium i dess kärna. Under en stjärnas liv förbränner den tyngre och tyngre ämnen hela vägen till järn innan den dör. Exakt hur en stjärna dör ser olika ut beroende på storlek, men en sak gemensamt är att det bildas grundämnen tyngre än järn under den stunden.

Att förstå dessa processer är viktigt för att kunna förstå andra relaterade fenomen så som olika stjärnsystem och planetformation. Till exempel, är det vanligare att stjärnor bildas i par eller ensamma? Den här frågan har länge studerats främst i solens närhet, då det är enklare att observera och se båda stjärnorna i ett stjärnpar, binärt stjärnsystem, som enskilda stjärnor när de är närmare oss. Det dröjde fram till 70-talet innan en observations metod som kunde särskilja båda stjärnorna i kompakta stjärnpar längre bort kom till. Denna metod kallas "Speckle interfotometri", den bygger på att fotografera stjärnsystem med hög optisk upplösning och kort exponeringstid. Från dessa bilder kan man få ut magnitudsskillnaden hos stjärnorna i det dubbla stjärnsystemet, positionsvinkeln för den sekundära stjärnan i jämförelse till huvudstjärnan och vinkelavståndet mellan dem. Idag kan man med ett stort teleskop särskilja båda stjärnorna i ett stjärnpar som är så när som 1.2 bågsekunder ifrån varandra.

I detta arbete har data från speckle interfotometri analyserats. Med syftet att hitta följande egenskaper från de observationer där en stjärngranne till huvudstjärnan har hittats; fysiskt avstånd mellan stjärnorna i systemet, massan hos varje stjärna och omloppstiden. Resultatet från dessa beräkningar kan användas för att förstå vad det finns för slags binära stjärnsystem i Vintergatan, hur många binära stjärnsystem det finns procentuellt och om de är lika de binära stjärnsystem i närheten av Solen.

• author: Kajtazi, Kaltrina
• supervisor: Sofia Feltzing
• organization: Lund Observatory - Undergoing reorganization
• alternative title: High resolution imaging of exoplanet host stars
• course: ASTK02 20201
• year: 2020
• type: M2 - Bachelor Degree
• subject: Physics and Astronomy
• keywords: Speckle imaging, Speckle interferometry, High resolution imaging, Short integration time, Binaries, Exoplant hosts, Stellar properties, WIYN, Gemini, Orbital period, Physical separation, Angular separation, magnitude difference
• publication/series: Lund Observatory Examensarbeten
• report number: 2020-EXA167
• language: English
• id: 9024434
• date added to LUP: 2020-07-06 13:30:17
• date last changed: 2020-07-06 13:30:41