Photometric searches for exoplanets and variability in star clusters

This thesis is focused on the photometric analysis of stellar light curves (LCs), to search for variable stars and transiting extrasolar planets. In particular, this study is carried out on crowded fields which include open clusters (OCs). The context of my work is the photometric preparatory survey “The Asiago Pathfinder for HARPS-N” (APHN; PI: Bedin) aimed at characterising OCs (i.e. M44, NGC752, M35, NGC2158 and M67) to be observed with the High Accuracy Radial velocity Planet Searcher for the Northern hemisphere (HARPS-N), mounted at the Telescopio Nazionale Galileo (TNG). The APHN survey was also recently extended to an additional sample of OCs which were chosen as targets for the Kepler extended mission K2 (Howell et al. 2014), in view of creating astrophotometric master input catalogues for high-precision photometry of Kepler and K2 data, following the method developed by (Libralato et al. 2015a). We also analysed data coming from other ground-based facilities, such as the SuperWASP or the STELLA1 Telescope. Searches for transiting exoplanets within OCs, while challenging (van Saders & Gaudi 2011), are particularly useful to constrain the properties of both the host star and planet, and to unveil the planetary formation and evolution mechanisms (Janes 1996; Fischer & Valenti 2005). The first part of the thesis reviews the different photometric techniques so far developed and present in the literature to search for exoplanets and, in general, for stellar variability studies (chapter 1). A short review of the principal ground and space-based projects is also given at the end of this chapter. Chapter 2 describes the origin of systematics errors (“red noise”) and gives a description of the methods developed to correct the LCs before the search for variability. A description of the different type of stellar variability and of the algorithms used to search for periodical signals is given in chapter 3. My original analysis of the OCs data is described in the last four chapters, starting from M44 in chapter 4. There, after a description of the observational setup, I discuss the detrending algorithms, the procedure to detect periodic signal, and my results in terms of newly discovered variables, including a study of the gyrochronological period versus colour relation. The following chapters are organised in a similar way, but covering NGC752 (chapter 5), M35 & NGC2158 (chapter 6) and M67 (chapter 7), respectively.

Questa tesi è incentrata sull’analisi fotometrica delle curve di luce stellari (LCs), per ricercare stelle variabili e pianeti extrasolari in transito. In particolare, questo studio viene condotto su campi affollati che includono ammassi aperti. Il contesto del mio lavoro è la mappatura fotometrica preparatoria “The Asiago Pathfinder for HARPS-N” (APHN; PI: Bedin), finalizzata alla caratterizzazione degli ammassi aperti (ad esempio M44, NGC752, M35, NGC2158 and M67), al fine di essere impiegata allo spettrografo HARPS-N (acronimo per High Accuracy Radial velocity Planet Searcher for the Northern hemisphere) installato al Telescopio Nazionale Galileo (TNG). Recentemente, la mappatura APHN è stata estesa ad un campionamento addizionale di ammassi aperti che sono stati scelti quali obiettivi per la missione K2, prolungamento della missione Kepler (Howell et al. 2014), allo scopo di creare un catalogo astro-fotometrico di base delle componenti che verranno analizzate con i set di dati delle missioni Kepler e K2 (Libralato et al. 2015a). Altre strumentazioni sono state coinvolte, come ad esempio quelle del progetto SuperWASP oppure quelle del telescopio STELLA1, i cui dati sono stati analizzati in questa tesi. Le ricerche di esopianeti in transito all’interno di ammassi aperti, benchè ardue (van Saders & Gaudi 2011), sono particolarmente utili per limitare le proprietà sia della stella ospitante, sia del pianeta e di svelare il meccanismo di formazione ed evoluzione planetaria (Janes 1996; Fischer & Valenti 2005). La prima parte della tesi è una recensione delle differenti tecniche fotometriche adottate dalla comunità scientifica nella ricerca di esopianeti e, più in generale, della variabilità stellare (capitolo 1), focalizzandosi sulle mappature fotometriche degli ammassi aperti. Una breve recensione sui principali progetti da terra e da spazio viene data alla fine di questo capitolo. Il capitolo 2 analizza le cause degli errori sistematici (“red noise”) e descrive i metodi sviluppati per correggere le curve di luce prima della ricerca di variabilità. Una descrizione delle differenti tipologie di variabilità stellare e degli algoritmi usati per la ricerca di segnali periodici viene data nel capitolo 3. La mia analisi degli ammassi aperti sopra citati è descritta negli ultimi quattro capitoli, partendo da M44 nel capitolo 4. Qui, dopo una descrizione delle attrezzature per le osservazioni, tratto degli algoritmi per la correzione da errori sistematici, della procedura per individuare segnali periodici e dei miei risultati in termini di variabili appena scoperte, includendo uno studio della relazione girocronologica fra la periodicità e il colore della stella. I capitoli seguenti sono organizzati in maniera simile, ma trattano, rispettivamente, di NGC752 (capitolo 5), di M35 & NGC2158 (capitolo 6) e di M67 (capitolo 7).