Results of the SARG survey for planets in binaries

Since the discovery of the first planetary mass companion around a pulsar star (Wolszczan and Frail 1992) and shortly after around a star similar to our Sun (51 Peg Mayor and Queloz 1995), many steps have been done in exoplanet science. This led to a rapidly growing sample of detected planets: the minimum mass of the companions is decreasing fast, and is now close to the Earth mass. New and more precise instruments have been built and many others are planned. The final goal is the discovery of Earth twins and, ultimately, traces of extrasolar life. As learnt with the discovery of 51 Peg, about fifteen years ago, observations often open new questions about how the discovered planets can form and survive, ending in the needs of more sophisticated theories to address these items. Many statistical studies have been done using information coming from more than a decade of extensive searches for exoplanets, trying to answer questions either related to the distribution of the properties of those objects, such as the mass, orbital period and eccentricity (Lineweaver and Grether 2003; Cumming et al. 2008) as well as about the relevance of the host star characteristics (mass, metallicity) on the final frequency and distribution of planetary systems (see Fischer and Valenti 2005; Santos et al. 2004b; Johnson et al. 2007; Bonavita and Desidera 2007; Valenti and Fischer 2008; Kennedy and Kenyon 2008; Bonavita et al. 2010). Since the most successful techniques (radial velocity and transit) have focused on the inner (< 5 UA) environment of main sequence solar-type stars, most of the available informations on the frequency of planets concern this kind of targets. In this context it is useful and crucial to learn as much as possible from the available data. In addition it is also very important to determine the frequency of planets in binaries. This is an important issue in the field of extrasolar planets studies, because of its relevance for an estimate of the global planet population of our Galaxy (more than half of solar type stars are in binary or multiple systems as reported in Duquennoy and Mayor 1991) and the clues it can give to our understanding of planet formation and evolution. The study of the properties of planets in binaries, and any difference to those of the planets orbiting single stars, would shed light on the effects caused by the presence of the companions. The SARG survey (Desidera et al. 2010) searches for planets in binary stars, an environment usually excluded from the RV surveys. Another peculiarity of the survey stars is their activity level, because the sample has many stars relatively active, which makes the distinction of any signal due to a planet very tricky. In this thesis we present the results on the discovered planet, the method we used to detect it, the error analysis, the stellar activity analysis and finally the study on the frequency of planet in the binary system. In the Chapter 1 I will try to put our work in context, by summarizing the status of the art of the extrasolar planet research and knowledge, both on the theoretical and observational side, in particular in binary star systems. First I will present an overview of the techniques for detecting extrasolar planets and of the planet formation theories. Then I will summarize the properties of the exoplanets as they come from the observational results, finally focusing on the properties and formation of the planet in binary system. Chapter 2 reviews the SARG survey, the instrument used for observations, the aims of this project and the sample observed. Chapter 3 includes the description of the data reduction technique and a detailed overview on the data analysis code. In the Chapter 4 I will present a detailed description of the analysis of the survey. We started with a thorough error analysis to distinguish the “noise” contributions from the planet signal. We performed also a detailed jitter study for the whole stars sample for monitoring the most important contribution to the errors. After this analysis, I will go into detail with the presentation of the trend study on the survey and the search for planet candidates using an IDL code that I personally wrote. This code includes the study of the periodogram for each RV data set, and the Keplerian orbit modeling due to the presence of the possible companion of the observed star. Statistical tests on significativity of the periodicity and the computation of the orbital parameter error bars were performed for a more complete analysis. In the Chapter 5 the discovered planet is presented. I personally dealt with the computation of the orbital parameters of the planet, and also contributed to the jitter analysis of the stars and to obtain the contrast limit on companion masses of the A component. Chapter 6 analyzes how we investigated on a peculiar stellar activity case in the survey. I personally dealt with the computation of the activity index to prove the relation between the RV variations and the stellar activity cycle. In the Chapter 7 I will include the results on a planet which was discovered by other authors, but, that we could find with more observations. I will present the periodogram and Keplerian orbit analysis compared to the results of the other researchers group. Chapter 8 gives a brief overview of the current knowledge on the frequency of planets, and a detailed description on the results came from the Monte Carlo simulation for the SARG survey. In the Chapter 9 I finally summarizes the conclusions and future perspectives of the work.

Dalla scoperta del primo compagno di massa planetaria attorno a una stella pulsar (Wolszczan and Frail 1992) e da quella, di poco successiva, attorno ad una stella simile al nostro Sole (51 Peg Mayor and Queloz 1995), si sono compiuti numerosi progressi nella scienza che si occupa degli esopianeti. Sono stati costruiti strumenti nuovi e sempre più precisi e molti altri sono in fase di studio e realizzazione. Ciò ha portato ad un campione rapidamente crescente di pianeti rivelati, inoltre la massa minima dei pianeti extrasolari si è ridotta velocemente ed ora è vicina a quella della Terra. Lo scopo finale è quello della scoperta di pianeti il più possibilmente simili alla Terra ed, infine, di tracce di vita extrasolare. Con la scoperta di 51 Peg, circa quindici anni fa, si è imparato come le osservazioni sollevino spesso nuovi dubbi riguardo le teorie di formazione ed evoluzione, concludendosi con la necessità di sviluppare teorie più sofisticate per affrontare tali questioni. Grazie alle informazioni provenienti da più di un decennio di ricerca di pianeti extrasolari, sono stati eseguiti numerosi studi statistici per cercare di rispondere a domande correlate alla distribuzione delle proprietà di questi oggetti, come massa, periodo orbitale ed eccentricità (Lineweaver and Grether 2003; Cumming et al. 2008), come pure a quelle riguardanti le caratteristiche delle stelle ospitanti (massa, metallicità) sulla frequenza e distribuzione finale dei sistemi planetari (consultare Fischer and Valenti 2005; Santos et al. 2004b; Johnson et al. 2007; Bonavita and Desidera 2007; Valenti and Fischer 2008; Kennedy and Kenyon 2008; Bonavita et al. 2010). Poichè le tecniche di maggior successo (velocità radiali e transiti) si sono focalizzate sull’ambiente interno (< 5UA) per stelle di tipo solare di sequenza principale, gran parte delle informazioni disponibili sulla frequenza di pianeti riguardano questo tipo di target. In questo contesto è, quindi, fondamentale analizzare quanto possibile i dati osservativi. Inoltre, studiare la frequenza di pianeti in stelle binarie è di grande interesse, in quanto più della metà delle stelle di tipo solare si trova in sistemi binari o multipli (Duquennoy and Mayor 1991), e quindi una tale informazione può fornire indicazioni sulla formazione ed evoluzione dei pianeti. Lo studio delle proprietà dei pianeti in stelle binarie, confrontato con le peculiarità dei pianeti ospiti di stelle singole, può chiarire quali possano essere gli effetti causati dalla presenza dei compagni planetari. La survey SARG (Desidera et al. 2010) è dedicata a ricercare pianeti in stelle binarie, un ambiente di solito non preso in considerazione dalla maggior parte delle survey che si basano sulla misurazione delle velocità radiali delle stelle. Questo è dovuto principalmente alla difficoltà di isolare le componenti vicine nella fenditura e, quindi, ad evitare di andare incontro a problemi di contaminazione. Un’altra peculiarità delle stelle del nostro campione è il loro livello di attività. Molti oggetti sono relativamente attivi, il che rende la distinzione del segnale planetario molto delicata, ma allo stesso tempo molto interessante da analizzare. In questa tesi si presentano i risultati dell’unico pianeta scoperto, il metodo che è stato utilizzato per rilevarlo, l’analisi degli errori effettuata per l’intero campione, includendo anche la trattazione sull’attività stellare, e si conclude con uno studio sulla frequenza dei pianeti in sistemi binari che risulta dall’analisi della survey. Nel Capitolo 1 si contestualizzerà il lavoro, riassumendo lo stato dell’arte della ricerca dei pianeti extrasolari e la conoscenza in particolare, sia dal punto di vista teorico, sia osservativo, dei pianeti scoperti in sistemi stellari binari. Per prima cosa si presenterà una panoramica delle tecniche per la rilevazione di pianeti extrasolari e delle teorie della formazione dei pianeti. In seguito verranno riassunte le proprietà dei pianeti extrasolari che provengono dai risultati osservativi e, per concludere, ci si focalizzerà sulle proprietà della formazione dei pianeti in sistemi binari. Nel Capitolo 2 si presenterà la survey SARG, a partire dalla descrizione dello strumento utilizzato per le osservazioni e si proseguirà con l’esposizione degli obiettivi di questo progetto, la presentazione del campione di stelle osservato e lo stato del programma. Il Capitolo 3 descriverà la tecnica di riduzione dei dati ed include una panoramica dettagliata sul codice di analisi dei dati. Nel Capitolo 4 presenterò una descrizione dettagliata delle analisi delle stelle del campione. Illustrerò come per prima cosa sia stata effettuata un’analisi approfondita degli errori per distinguere il contributo “ rumoroso” dall’eventuale segnale planetario e, successivamente, sia stato eseguito uno studio dettagliato sul jitter per l’intero campione di stelle, in quanto il suo contributo è molto importante nell’analisi delle piccole variazioni delle velocità radiali. Dopo questa analisi entrerò in dettaglio presentando lo studio sui trend del campione e la ricerca dei pianeti candidati utilizzando un codice che ho personalmente implementato. Questo programma comprende lo studio del periodogramma per ogni set di dati e la modellizzazione dell’orbita Kepleriana dovuta all’eventuale presenza di un compagno planetario o stellare della stella osservata. Presenterò, infine, i test statistici eseguiti sulla significatività della periodicità ed il calcolo delle barre d’errore nei parametri orbitali, al fine di ottenere un’analisi solida e completa. Nel Capitolo 5 verrà presentato il pianeta rivelato. Ho contribuito personalmente al calcolo dei parametri orbitali del pianeta, utilizzando il codice descritto nel capitolo precedente e mi sono, inoltre, occupata dell’analisi del jitter delle stelle e di ricavare il limite di massa della compagna della componente primaria, dal contrasto in banda K. Nel Capitolo 6 si analizzerà un caso peculiare di attività stellare all’interno del nostro campione. Ho personalmente calcolato un indice di attività misurato su una riga degli spettri, per verificare la relazione tra le variazioni delle velocità radiali e il ciclo di attività stellare. Nel Capitolo 7 saranno presentati i risultati su un pianeta ospite di una stella del nostro campione, ma rivelato da altri autori. Riporterò l’analisi del periodogramma e l’analisi dell’orbita Kepleriana, al fine di confrontare i nostri risultati con quelli ottenuti dagli scopritori. Il Capitolo 8 fornirà una breve panoramica delle attuali conoscenze sulla frequenza dei pianeti, e una descrizione dettagliata dei risultati ottenuti dall’analisi statistica della survey SARG. Nel Capitolo 9 riassumerò, infine, le conclusioni e le prospettive future.