Development of a new tool for the dynamical analysis of exoplanetary systems

I have developed a software that can simultaneously fit observed radial velocities (RVs) and transit times (T0s) data with the purpose of determining the orbital parameters of exoplanetary systems. I have called this program TRADES: TRAnsits and Dynamics of Exoplanetary Systems. I implemented a dynamical simulator for N-body systems which also fits the available data during the orbital integration and determines the best combination of the orbital parameters by using a grid search, a Chi Square minimization, a genetic algorithms, a particle swarm optimization, and a bootstrap analysis. To validate TRADES, I tested the code on a synthetic three-body system and on two real systems discovered by the Kepler mission: Kepler-9 and Kepler-11. These systems are good benchmarks to test multiple exoplanet systems showing transit time variations (TTVs) due to the gravitational interaction among planets. I have found orbital parameters of Kepler-11 planets in good agreement with the values proposed in the discovery paper and with a a recent work from the same authors. I analyzed the first three quarters of Kepler-9 system and found parameters in partial agreement with the discovery paper. Analyzing transit times (T0s) covering 12 quarters of Kepler data I have found a new best-fit solution for Kepler-9. This solution outputs masses that are about the 55% of the values proposed in the discovery paper; this leads to a reduced semi-amplitude of the radial velocities of about 12.80 m/s. Furthermore, I created a synthetic data set of RVs and T0s, based on the Kepler-9 system, that samples the future observations with ESA satellite CHEOPS. This has been done to study the CHEOPS performances in case of the detection of transit time variation (TTV) signal due to an undetected planet in an exoplanetary system. This analysis is still ongoing, and it will undergo substantial changes with further development of the next phases of the CHEOPS mission. In addition, I have applied TRADES on few exoplanetary systems of the sample of the TASTE project (The Asiago Search of Transit timing variations of Exoplanets). In the past, a TTV has been claimed For these systems, but recently this has been excluded because of underestimated uncertainties on the transit time measurements. In the next future I will extend the dynamical analysis of these systems in view of new data that have been recently collected by the TASTE project.

Ho sviluppato un programma per riprodurre simultaneamente le velocità radiali (RV) e i tempi di transito (T0s) osservati con lo scopo di determinare i parametri orbitali di sistemi esoplanetari. Ho chiamato questo programma TRADES: TRAnsits and Dynamics of Exoplanetary Systems. Il simulatore dinamico N-corpi, che ho implementato, riproduce i dati disponibili durante l'integrazione delle orbite e determina la miglior combinazione dei parametri orbitali tramite una ricerca su una griglia di parametri, una tecnica di minimizzazione del chi quadro, un algoritmo genetico, una tecnia di ottimizzazione a sciami di particelle e un'analisi di tipo bootstrap. Per validare TRADES, ho testato il codice su un sistema a 3-corpi sintetico e su due sistemi reali scoperti dalla missione Kepler: Kepler-9 e Kepler-11. Questi sistemi sono perfetti campioni di sistemi di esopianeti multipli, che mostrano variazioni dei tempi di transito (TTVs) per l'interazione gravitazionale tra pianeti, Ho ricavato per i pianeti di Kepler-11 dei parametri orbitali in buon accordo con i valori proposti nell'articolo della scoperta e con un recente lavoro fatto dagli stessi autori. Ho analizzato i primi tre quarti di dati del sistema Kepler-9 e ho trovato dei parametri in parziale accordo con l'articolo della scoperta. Analizzando i tempi di transito (T0s) che coprono dodici quarti di dati del satellite Kepler ho ricavato una nuova soluzione che meglio riproduce i dati. Le masse di questa soluzione orbitale sono circa il 55% dei valori inizialmente proposti; questo ha come conseguenza la riduzione della semi-ampiezza delle velocità radiali di circa 12.80 m/s. Inoltre, ho creato un campione sintetico di dati di RVs e T0, basandomi sul sistema Kepler-9, che riproducano le osservazioni future del satellite dell'ESA CHEOPS. Ciò è stato fatto per studiare le prestazioni di CHEOPS in caso di rilevazione di segnali di TTV dovuti ad un pianeta sconosciuto in un sistema planetario. Questa analisi è ancora in corso e subirà dei sostanziali cambiamenti durante le prossime fasi di sviluppo della missione CHEOPS. Ulteriormente, ho applicato TRADES a qualche sistema esoplanetario del campione del progetto TASTE (The Asiago Search of Transit timing variations of Exoplanets). Per questi sistemi era stato precedentemente riscontrato la variazione del tempo dei transiti, ma di recente ciò è stato escluso perché le stime dell'incertezza sui tempi di transito erano sottostimate. Nel prossimo futuro estenderò l'analisi dinamica di questi sistemi in vista dei nuovi dati che sono stati recentemente ottenuti dal progetto TASTE.