Das RIU, Abteilung Planetenforschung, ist ein Teil des Detektionsteams von CoRoT (CO-I Beitrag Martin Pätzold). Die Aufgabe besteht darin die Lichtkurven von CoRoT nach Transits von Planeten zu untersuchen und damit Planetenkandidaten zu detektieren, die mit RV nachbeobachet werden.

Weitere Schwerpunkte am RIU-PF sind:

die Gezeitenentwicklung der Orbits von extrasolaren Planeten (Pätzold, M. und H. Rauer, 2002; Pätzold, M., L. Carone und H. Rauer, 2004; Pätzold, M. 2014).
die Transit Time Variation

Zusammenarbeit in Deutschland mit:

Landessternwarte Tautenburg

DLR Berlin

Detektion

Das Rheinische Institut für Umweltforschung, Abteilung Planetenforschung entwickelt seit 2004 Software zur Detektion von Exoplaneten.

Bei jedem Beobachtungslauf von CoRot wird über 150 Tage ein Sternenfeld mit 10000 Sternen bebachtet. Eine Lichtkurve (Abb 1) wird von Strömungen überlagert, die die Detektion des Transits schwierig machen. Ohne den Einsatz von Supercomputern und Software zur Filterung der Störungen und Detektion dieser planetaren Transits ist eine Suche nach Exoplaneten nicht möglich.

Abbildung 1:

Abb 6 einfügen

Das RIU-PF ist eines der offiziellen Detektionsteams bei CoRoT. Für diese Mission wurde bis zu Ihrem Start 2006 eine Softwarepipeline entwickelt um die Lichtkurven zu filtern und planetare Transits automatisch zu detektieren (Diplomarbeit Gahr 2006, Grziwa et al. 2012). Zur Verarbeitung der Daten werden leistungsstarke Supercomputer wie momentan z.B. CHEOPS das HPC-Cluster des Regionales Rechenzentrum der Universität zu Köln eingesetzt.

Während der sechsjährigen Mission hat das RIU-PF an der Detektion der planetaren Kandidaten gearbeitet und war mitverantwortlich für die Auswahl der Kandidaten zur bodengestützten Nachbeobachtung. Im Laufe der Mission wurden 33 Planeten, insbesondere CoRoT-7b der erste nachgewiesene Gesteinsplanet bestätigt. Hunderte weitere Kandidaten warten noch auf ihre Bestätigung durch bodengestützte Nachbeobachtung. Durch die während der Mission gesammelten Erfahrungen wird die Detektionspipeline stetig weiterentwickelt. 2010 wurde eine Software entwickelt und in die Detektionspipeline integriert (Diplomarbeit Grziwa 2010), welche Kombinationen von Doppelsternen simuliert und mit den Transits in den Lichtkurven vergleicht. Dadurch können Transits von Doppelsternen identifiziert und Verwechslungen mit planetaren Transits ausgeschlossen werden. Um stellare Variationen und andere Störungen in Lichtkurven stärker zu reduzieren, wurden neue auf Wavelets basierende Filtermethoden (VARLET, PHALET Grziwa 2014 in prep.) entwickelt. VARLET ist in der Lage Variationen und Sprünge von Lichtkurven fast vollständig zu separieren, ohne Transits vollständig aus der Lichtkurve zu entfernen. Somit kann wesentlich leichter nach Transits von kleinen Planeten gesucht werden.

PHALET ist in der Lage periodische Signale bekannter Frequenz wie Transits oder Doppelsterne aus einer Lichtkurve zu separieren. Dadurch lassen sich Planetensysteme und Planeten in Doppelsternsystemen deutlich einfacher finden. 2014 wurden VARLET gefilterten Lichtkurven des Weltraumteleskops CoRoT offiziell von der CNES in das Datenarchiv aufgenommen. Seit der Verfügbarkeit der Kepler Daten hat das RIU-PF auch diese Lichtkurven mit ihrer Detektionspipeline nach Exoplaneten durchsucht. Dabei wurden tausende mögliche Exoplaneten detektiert. Ein Vergleich mit den Listen des Kepler Teams (Kandidates of Interest) konnte 95% der gefundenen Kandidaten bestätigen. Weitere bisher unbekannte Kandidaten wurden gefunden werden weiter untersucht. Momentan arbeitet das Rheinische Institut für Umweltforschung an der Entwicklung spezialisierter Filter zur Entfernung von Störungen des Instruments und neuen Detektionsalgorithmen. Außerdem wird versucht über die reine Detektion und Ausschluss von Fehldetektionen hinaus, möglichst viele Parameter des Planeten möglichst genau direkt aus der Lichtkurve zu bestimmen. Die Bestimmung der Transit Time Variationen (TTV) und Transit Shape Variationen (TSV) sollen dabei helfen. Dadurch ist gewährleistet, dass für zukünftige Missionen eine immer bessere Charakterisierung möglichst vieler Exoplaneten möglich ist. Nur so lässt sich die Vielzahl an verschiedenen Planetensystemen erforschen und Rückschlüsse auf unser Sonnensystem ziehen.

Gezeiten
Transit Time Variation

Die Planeten in einem System üben gegenseitig gravitative Kräfte aufeinander aus, die ihre Bewegung auf ihren Umlaufbahnen um den Stern beeinflussen.

Die Folge der Störung der Umlaufbahn des Transitplaneten ist, dass die Umlaufperiode nicht mehr konstant ist, sondern bezogen auf eine mittlere Umlaufperiode periodisch variiert. Dies ist erkennbar an der periodischen Variation der Transitzeit, definiert als die aktuelle Zeit der Mitte der Transitzeit. Dies wird als Transit Time Variation (TTV) bezeichnet. Weitere Beiträge zur Störung der Umlaufbahn des Transitplaneten neben der Gravitationswechselwirkung sind:

Die oblate (abgeflachte) Figur des Sterns
Die Gezeitenkräfte zwischen Stern und Transitplanet
Die Bewegung des Transitplaneten im Schwerepotentialtrog des Sterns (Relativitätstheorie)

Diese Abweichung der Transitzeiten von einer mittleren Transitzeit wird als Transit Time Variation (kurz: TTV) bezeichnet.

Messungen der Transitzeiten und die Abweichungen von einer mittleren Periode können auf die Anwesenheit von weiteren planetaren Körpern hinweisen, die den Orbit des Transitplaneten stören. So kann auch ein unbekannter und nicht im Transit detektierter Planeten auf diese Weise entdeckt werden.

Durch die Simulation von Planetensysteme können die Orbitparameter der Planetenkandidaten, die TTV aufweisen (Periode, Halbachse, Masse des Planeten, Inklination, Exzentrizität) des Systems abgeschätzt werden. So kann ebenfalls abgeschätzt werden, welche Planetenkonstellation die gemessene TTV erzeugen kann. Durch den Vergleich der gemessenen TTV und der simulierten TTV kann bestätigt werden, ob ein weiterer Planet (mit den berechneten Parametern) den Orbit des Transitplaneten stört.

Durch diese Untersuchung der Transitzeiten werden in nKonsequenz auch Multiplanetensysteme entdeckt.

Exoplanet research at the RIU

The RIU, Department of Planetary Research, was one of the detection teams of the CoRoT mission (CO-I contribution by Martin Paetzold). Its task was the detection of planetary candidates that were followed up with Radial Velocity.

It cooperates in Germany with:

Observatory in Tautenburg
DLR Berlin

Further foci at RIU-PF are:

Detection
Transit Time Variation
Tidal evolution of the orbits of extrasolar planets (Paetzold, M. and H. Rauer, 2002; Paetzold, M., L. Carone and H. Rauer, 2004; Paetzold, M. 2014)

Detection:

Since 2004, the RIU, Department of Planetary Research, has been developing software to detect extrasolar planets from a light curve. A light curve is overlain by disturbances that make the detection of transits difficult, and, therefore, a software that can filter the disturbances is essential. Such a software that also automatically detects planetary candidates has been developed at RIU-PF by Gahr (2006) and Grziwa et al. (2012). During the six-year mission, the RIU-PF has worked on the detection of planetary candidates and was responsible for the selection of candidates for ground-based follow-up. The detection pipeline is continuously developed through the experience achieved during the mission:

In 2010 the detection pipeline received a software that simulates combinations of binary stars and compares them with the transit in the light curves (Grziwa 2010). With this software transits of binary stars can be identified and the confusion with planetary transits excluded. Stellar variations and other disturbances in light curves are reduced with new developed wavelet-based filtering methods (VARLET and PHALET (Grziwa 2016):

VARLET completely separates variations and jumps out of the light curve without removing the transit. Thus is simplifies the search for transits of small planets. VARLET filtered light curves of CoRoT were included by the CNES in the data in 2014.

PHALET separates periodic signals of known frequency like transits or binaries from a light curve. This makes the detection of planetary systems and planets in binary star systems easier.

Since the availability of the Kepler data, RIU-PF has also used the detection pipeline to search these light curves for extrasolar planets and has detected thousands of potential extrasolar planets. A comparison with the Kepler team lists (Candidates of Interest) yields an agreement of 95 %. Other previously unknown candidates for investigation were found. Currently, RIU-PF is developing new detection algorithms and specialized filters to remove instrumental noise. Further aims included determining as many planet parameters as precisely as possible directly from the light curve.

Due to a failure of two reaction wheels Kepler went out of service in 2013. The mission (now called K2) was continued with a different observing strategy and a lower pointing accuracy. RIU-PF developed an additional correction method to partially compensate this inaccuracy (tracking and correction of the movement and rotation of the CCD). As part of the KEST collaboration the RIU-Pf detected many new planets in K2 light curves which were confirmed by follow-up observation (Grziwa et al. 2016, Marshall et al. 2016).

Determining Transit Time Variations (TTV) and Transit Shape Variations (TSV) should support the process. These methods should ensure that there is an exact characterization of extrasolar planets in future missions.

Transit Time Variation:
Planets in a system mutually exert gravitational forces on each other, influencing their motion in their orbits around the star.

The consequence of the orbit disturbances of the transiting planet is that the current period is not constant but varies periodically around a mean period. This is called Transit Time Variation (TTV). More contributions to the orbit disturbance of the transiting planet in addition to the gravitational interaction are:

The oblate (flattened) figure of the star
The tidal forces between star and transiting planet
The movement of transiting planets in the gravitational potential of the star (theory of relativity)

Measurements of the transit times and the deviations from a mean period may indicate the presence of other planetary bodies disturbing the orbit of the transiting planet. Thus an unknown and/or not transiting planets can be detected.

The orbit parameters of the planetary candidates that show TTV can be estimated through the simulation of the planetary system. These orbit parameters are: orbital period, semimajor axis, mass of the planet, orbit inclination and eccentricity. Thus the planetary constellation that can produce the measured TTV can be estimated. Comparing the measured TTV and the simulated TTV allows confirmation of whether a further planet (with the calculated parameters) disturbs the orbit of the transiting planet.

A consequence of the analysis of the transit times is the detection of multi-planet systems.