High-resolution spectroscopy for high-contrast imaging of exoplanets with ELT instruments
(2026) FYSK04 20261Department of Physics
Astrophysics
- Abstract
- Combining high-contrast imaging (HCI) with high-resolution spectroscopy (HRS) is one of the leading strategies for the next generation of direct-imaging instruments on the Extremely Large Telescope (ELT). HCI suppresses the host star’s light spatially through adaptive optics and coronagraphy, while HRS suppresses it spectrally by exploiting the Doppler-shifted molecular lines in the planet’s atmosphere. In principle, the two methods multiply, and a joint contrast gain of several orders of magnitude beyond either alone has been predicted. This is the design baseline of the ELT instruments ANDES and PCS.
This thesis develops an end-to-end simulation pipeline to quantify that gain for selfluminous giant exoplanets observed with ANDES on the... (More) - Combining high-contrast imaging (HCI) with high-resolution spectroscopy (HRS) is one of the leading strategies for the next generation of direct-imaging instruments on the Extremely Large Telescope (ELT). HCI suppresses the host star’s light spatially through adaptive optics and coronagraphy, while HRS suppresses it spectrally by exploiting the Doppler-shifted molecular lines in the planet’s atmosphere. In principle, the two methods multiply, and a joint contrast gain of several orders of magnitude beyond either alone has been predicted. This is the design baseline of the ELT instruments ANDES and PCS.
This thesis develops an end-to-end simulation pipeline to quantify that gain for selfluminous giant exoplanets observed with ANDES on the ELT. The pipeline generates stellar and planetary spectra from physical models, propagates them through a simplified on-axis/off-axis differential observation including coronagraphic suppression and detector noise, and retrieves the planetary signal via cross-correlation against a noiseless template.
The pipeline is applied to four self-luminous companions with Teff = 400 − 1600 K around a common early-F host star, across angular separations of 20−79 mas, lower and upper halves of the 0.95 − 1.80 μm wavelength window, and resolving powers R = 5 × 104 − 1.9 × 105. At the reference configuration the cross-correlation deepens the accessible contrast by roughly three orders of magnitude in contrast relative to the raw coronagraphic contrast. Detection distances up to ∼ 340 pc are found for the hottest companion, and up to ∼ 15 pc for the coolest. The lower half of the wavelength window drives most of the detection for the cooler companions, while the resolving-power dependence is weak. (Less) - Popular Abstract (Swedish)
- Någonstans där ute, i bana kring en avlägsen stjärna, kan det finnas en planet med hav, moln och en atmosfär fylld med de kemiska figeravtrycken av liv. Vi vet inte än. men inom de kommande decennierna kanske vi får svaret.
Sedan 1995 har astronomer hittat fler än sex tusen planeter kring andra stjärnor. Nästan alla har dock upptäckts indirekt. Att faktiskt direkt avbilda en planet, och framför allt studera dess atmosfär, har visat sig betydligt svårare. Föreställ dig att från flera kilometers håll försöka se en eldfluga som flyger bredvid en fyr. Det är ungefär den utmaning som astronomer står inför. En ung Jupiter, en av de enklaste måltavlorna, är ungefär en miljon gånger ljussvagare än sin stjärna. En jordlik planet kan vara en... (More) - Någonstans där ute, i bana kring en avlägsen stjärna, kan det finnas en planet med hav, moln och en atmosfär fylld med de kemiska figeravtrycken av liv. Vi vet inte än. men inom de kommande decennierna kanske vi får svaret.
Sedan 1995 har astronomer hittat fler än sex tusen planeter kring andra stjärnor. Nästan alla har dock upptäckts indirekt. Att faktiskt direkt avbilda en planet, och framför allt studera dess atmosfär, har visat sig betydligt svårare. Föreställ dig att från flera kilometers håll försöka se en eldfluga som flyger bredvid en fyr. Det är ungefär den utmaning som astronomer står inför. En ung Jupiter, en av de enklaste måltavlorna, är ungefär en miljon gånger ljussvagare än sin stjärna. En jordlik planet kan vara en miljard gånger svagare. Stjärnans ljus målar helt enkelt ut allt annat.
Mitt examensarbete utgår från en central fråga: hur kan vi övervinna denna enorma kontrast och faktiskt fånga ljuset från avlägsna planeter? En metod, högkontrast avbildning, blockerar stjärnans ljus med hjälp av adaptiv optik och koronagrafer, med andra ord, konstgjorda förmörkelser. En annan metod, högupplöst spektroskopi, separerar planet och stjärna i ljus: när planetens ljus delas upp i ett spektrum framträder fingeravtryck av molekyler så som vatten, koldioxid och metan, och eftersom planeten rör sig i bana kring sin stjärna förskjuts dessa fingeravtryck något i våglängd. Var för sig räcker metoderna inte hela vägen fram. Tillsammans kan de däremot göra det.
I projektet bygger jag en simulering av just en sådan kombinerad observation. Jag genererar realistiska planet- och stjärnspektra, lägger till instrumentbrus, och försöker återfinna planetsignalen i bruset. Genom att variera planetens temperatur, observationens våglängdsområde och instrumentets upplösning kartlägger jag hur djupt vi kan se. Arbetet är särskilt relevant för nästa generations Extremely Large Telescope (ELT) instrument ANDES och PCS som just är designade för denna kombination. Detta är ett steg på vägen mot att en dag kunna besvara en av de äldsta frågorna... är vi ensamma? (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
https://lup.lub.lu.se/student-papers/record/9248475
- author
- Magnusson, Sebastian LU
- supervisor
- organization
- course
- FYSK04 20261
- year
- 2026
- type
- M2 - Bachelor Degree
- subject
- keywords
- high-contrast imaging, high-resolution spectroscopy, direct imaging, ELT, ANDES
- report number
- 2026-EXA253
- other publication id
- 2026-EXA253
- language
- English
- id
- 9248475
- date added to LUP
- 2026-08-18 11:21:07
- date last changed
- 2026-08-18 11:21:07
@misc{9248475,
abstract = {{Combining high-contrast imaging (HCI) with high-resolution spectroscopy (HRS) is one of the leading strategies for the next generation of direct-imaging instruments on the Extremely Large Telescope (ELT). HCI suppresses the host star’s light spatially through adaptive optics and coronagraphy, while HRS suppresses it spectrally by exploiting the Doppler-shifted molecular lines in the planet’s atmosphere. In principle, the two methods multiply, and a joint contrast gain of several orders of magnitude beyond either alone has been predicted. This is the design baseline of the ELT instruments ANDES and PCS.
This thesis develops an end-to-end simulation pipeline to quantify that gain for selfluminous giant exoplanets observed with ANDES on the ELT. The pipeline generates stellar and planetary spectra from physical models, propagates them through a simplified on-axis/off-axis differential observation including coronagraphic suppression and detector noise, and retrieves the planetary signal via cross-correlation against a noiseless template.
The pipeline is applied to four self-luminous companions with Teff = 400 − 1600 K around a common early-F host star, across angular separations of 20−79 mas, lower and upper halves of the 0.95 − 1.80 μm wavelength window, and resolving powers R = 5 × 104 − 1.9 × 105. At the reference configuration the cross-correlation deepens the accessible contrast by roughly three orders of magnitude in contrast relative to the raw coronagraphic contrast. Detection distances up to ∼ 340 pc are found for the hottest companion, and up to ∼ 15 pc for the coolest. The lower half of the wavelength window drives most of the detection for the cooler companions, while the resolving-power dependence is weak.}},
author = {{Magnusson, Sebastian}},
language = {{eng}},
note = {{Student Paper}},
title = {{High-resolution spectroscopy for high-contrast imaging of exoplanets with ELT instruments}},
year = {{2026}},
}