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Mesa, Dino (2011) Planet detection with SPHERE and EPICS. [Tesi di dottorato]

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Abstract (inglese)

In the last fifteen years a large amount (more than 500) of extrasolar planets has
been found. However, until now the great majority of them has been discovered exploiting
indirect techniques like e.g. the radial velocity method (that gives, actually,
the most important contribution), the transit method, the microlensing method and others.
Direct imaging of extrasolar planets would be very important to sample the external
parts of the extrasolar systems where the most important indirect methods (e.g. radial
velocity) are not able to get until now, and to test the model on the formation of the
planetary systems. However, direct imaging of extrasolar planets is very difficult because
of the great luminosity contrast ( 10−6÷−7 for a giant planet and 10−9 for an
Earth-like planet) and the small separation (few tenths of arcsec for a planet at 10 AU
at some tens of pc) between the companion object and the central star. Until now just
a few extrasolar planets have been imaged around stellar or substellar (brown dwarfs)
objects.
In the near future, some instruments like SPHERE (that will operate at ESO VLT)
promise to be able to largely improve the number of planets that will be found through
direct imaging. These instruments to work properly, however, we should be able to
strongly reduce the impact of the speckle noise. To this aim, various differential imaging
methods have been developed in these years like e.g. the Spectral Differential
Imaging (that exploits the spectral characteristics of the searched planets), the Angular
Differential Imaging (that exploits the rotation of the Field of View to subtract the
static speckle pattern) and the Spectral Deconvolution (that exploits the spectral characteristics
of the speckle pattern itself). All these methods have been tested during the
simulations that we performed on the SPHERE IFS performances with some modifications
to adapt them to the characteristics of the instrument (see Section 3.2). The
results of these simulations confirm that, using the SPHERE IFS instrument in association
with differential imaging techniques, we will be able to get luminosity contrasts
between the companion object and the central star of the order of some 10−7 at separations
of less than 1 arcsec. Moreover, from our simulations, it seems that spectral
deconvolution can get slightly better contrasts with respect to the spectral differential
imaging method.
An example of possible data analysis on real data is given in Chapter 2 where I present
the results of the analysis performed on data from the NACO Large Program.
In Section 3.3 I then present the results of an analysis made to test the astrometric
potential of SPHERE IFS exploiting, in particular, the characteristics of the speckle
pattern. It results that these methods should allow an astrometric precision better than
1 mas. In Section 3.4 I then present a possible pipeline developed for the IFS data
reduction with the aim to find and characterize eventual companion objects.
A further development in the field of direct imaging of extrasolar planets should be
reached with EPICS, which is an instrument designed to work at the future ESO European
Extremely Large Telescope (E-ELT). It is at present in the post Phase A. In
Chapter 4 I present the results of a laboratory experiment aimed to test the possible
advantages in using an apodizer in place of a traditional pupil mask. It resulted that,
probably due to the presence of ghosts, we are not able to strongly reduce the cross-talk using an apodizer but however its level is well below the requested values.
Finally in the same Chapter I present the preliminary opto-mechanical design of the
IFS that will be part of EPICS. This design has been presented at the Phase A meeting
of the instrument.

Abstract (italiano)

Negli ultimi quindici anni un gran numero (pi´u di 500) di pianeti extrasolari sono
stati scoperti. Comunque, fino ad oggi la gran parti di essi ´e stata scoperta sfruttando
tecniche indirette come per esempio le velocit`a radiali (che forniscono in effetti il contributo
pi´u importante), il metodo dei transiti, il metodo che sfrutta il microlensing e
altri.
L’imaging diretto di pianeti extrasolari sarebbe estremamente importante perch´e permetterebbe
di campionare le zone pi´u esterne dei sistemi planetari extrasolari dove i
metodi indiretti principali (per esempio le velocit`a radiali) non sono in grado di arrivare
fino ad ora e perch´e permetterebbe di testare i modelli di formazione dei sistemi
planetari. Ad ogni modo, l’imaging diretto di pianeti extrasolari ´e estremamente difficile
a causa del grande contrasto di luminosit`a ( 10−6÷−7 per un pianeta gigante e
10−9 per un pianeta di tipo terrestre) e della piccola separazione (pochi decimi di
arcsec per un pianeta a 10 UA e a qualche decina di pc dal Sole) fra il pianeta e la
stella centrale. Fino ad oggi solo pochi pianeti extrasolari sono stati scoperti per mezzo
di imaging diretto attorno a oggetti stellari e substellari (nane brune).
Nel prossimo futuro, alcuni strumenti come SPHERE (che operer`a al VLT dell’ESO)
dovrebbero essere in grado di aumentare di molto il numero di pianeti scoperti tramite
imaging diretto. Perch´e questi strumenti funzionino nel modo migliore, sar`a comunque
necessario ridurre fortemente il rumore dovuto alle speckle. A questo scopo, un certo
numero di metodi di imaging differenziale sono stati sviluppati in questi anni come
per esempio lo Spectral Differential Imaging (che sfrutta le caratteristiche spettrali del
pianeta che stiamo cercando), l’Angular Differential Imaging (che sfrutta la rotazione
del campo di vista per la sottrazione del pattern di speckle statico) e la Spectral Deconvolution
(che sfrutta le caratteristiche spettrali dello stesso speckle pattern). Tutti
questi metodi sono stati testati nel corso delle simulazioni che abbiamo effettuato allo
scopo di controllare le performance dell’IFS di SPHERE con alcune modifiche pensate
per adattarli alle caratteristiche dello strumento (vedere il Paragrafo 3.2). I risultati di
queste simulazioni confermano che, usando l’IFS di SPHERE assieme ad alcune di
queste tecniche di imaging differenziale, saremo in grado di ottenere contrasti di luminosit`
a tra un pianeta e la stella centrale dell’ordine di qualche 10−7 per separazioni
inferiori ad 1 arcsec. Inoltre, dalle nostre simulazioni, sembra che la spectral deconvolution
permetta di ottenere contrasti leggermente migliori di quelli ottenuti con lo
spectral differential imaging.
Un esempio di analisi di dati provenienti da un caso reale ´e dato nel Capitolo 2 dove
presento i rsultati dell’analisi effettuata sui dati ottenuti con il NACO Large Program.
Nel Paragrafo 3.3 presento i risultati dell’analisi svolta per verificare il potenziale per
l’astrometria dell’IFS di SPHERE sfruttando, in particolare, le caratteristiche dello
speckle pattern. Il risultato di questa analisi ´e che questi metodi dovrebbero consentire
una precisione astrometrica migliore di 1 mas. Nel Paragrafo 3.4, presento invece una
possibile pipeline sviluppata per l’analisi dei dati provenienti dall’IFS con lo scopo, in
particolare, di trovare e caratterizzare pianeti.
Un ulteriore sviluppo nel campo dell’imaging diretto di pianeti extrasolari dovrebbe
essere ottenuto con EPICS che ´e uno strumento progettato per operare presso il futuro
European Extremely Large Telescope dell’ESO. Lo strumento si trova al momento in
post Fase A. Nel Capitolo 4 presento i risultati di un esperimento di laboratorio che
aveva lo scopo di verificare i possibili vantaggi ottenuti sostituendo un apodizzatore
ad una maschera tradizionale nella pupilla dello strumento. Da questo esperimento ´e
risultato che, probabilmente a causa della presenza di ghost, non siamo in grado di
ridurre il cross-talk usando un apodizzatore ma che, ad ogni modo, il suo livello ´e ben
sotto i valori richiesti.
Infine, in questo Capitolo presento il progetto opto-meccanico preliminare dell’IFS che
sar`a parte di EPICS. Questo progetto ´e stato presentato al meeting per la Fase A dello
strumento.

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Tipo di EPrint:Tesi di dottorato
Relatore:Gratton, Raffaele
Dottorato (corsi e scuole):Ciclo 23 > Scuole per il 23simo ciclo > ASTRONOMIA
Data di deposito della tesi:NON SPECIFICATO
Anno di Pubblicazione:21 Gennaio 2011
Parole chiave (italiano / inglese):extrasolar planets Integral Field spectroscopy Differential Imaging methods
Settori scientifico-disciplinari MIUR:Area 02 - Scienze fisiche > FIS/05 Astronomia e astrofisica
Struttura di riferimento:Dipartimenti > Dipartimento di Astronomia
Codice ID:3337
Depositato il:29 Lug 2011 17:53
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