Theoretical studies on brown dwarfs and extrasolar planets [Elektronische Ressource] / verf. von René Heller
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Description

Theoretical StudiesonBrownDwarfsand Extrasolar PlanetsDissertationzurErlangungdes Doktorgradesdes Department Physikder UniversitätHamburgverfasstvonRenéHellerausHoyerswerdaHamburg,den09. Juli2010Gutachter der Dissertation: Prof. Dr. Günter WiedemannProf. Dr. Stefan DreizlerProf. Dr. Wilhelm KleyGutachter der Disputation: Prof. Dr. Jürgen H. M. M. SchmittProf. Dr. Peter H. HauschildtDatum der Disputation: 24. August 2010Vorsitzender des Prüfungsausschusses: Dr. Robert BaadeVorsitzender des Promotionsausschusses: Prof. Dr. Jochen BartelsDekan der Fakultät für Mathematik,Informatik und Naturwissenschaften : Prof. Dr. Heinrich GraeneriiiContentsI Openingthoughts 11 Abstract 32 Celestialmechanics 72.1 Historical context . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72.2 Classicalcelestialmechanics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92.2.1 Visualbinaries. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102.2.2 Double-linedspectroscopic binaries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102.3 Tidaldistortion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112.4 Orbital evolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112.5 Feedbackbetweenstructural andorbital evolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 Browndwarfsandextrasolarplanets 153.

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Published 01 January 2010
Reads 10
Language English
Document size 9 MB

Exrait

Theoretical Studieson
BrownDwarfsand Extrasolar Planets
Dissertation
zurErlangungdes Doktorgrades
des Department Physik
der UniversitätHamburg
verfasstvon
RenéHeller
aus
Hoyerswerda
Hamburg,den09. Juli2010Gutachter der Dissertation: Prof. Dr. Günter Wiedemann
Prof. Dr. Stefan Dreizler
Prof. Dr. Wilhelm Kley
Gutachter der Disputation: Prof. Dr. Jürgen H. M. M. Schmitt
Prof. Dr. Peter H. Hauschildt
Datum der Disputation: 24. August 2010
Vorsitzender des Prüfungsausschusses: Dr. Robert Baade
Vorsitzender des Promotionsausschusses: Prof. Dr. Jochen Bartels
Dekan der Fakultät für Mathematik,
Informatik und Naturwissenschaften : Prof. Dr. Heinrich Graeneriii
Contents
I Openingthoughts 1
1 Abstract 3
2 Celestialmechanics 7
2.1 Historical context . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.2 Classicalcelestialmechanics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2.1 Visualbinaries. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.2.2 Double-linedspectroscopic binaries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.3 Tidaldistortion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.4 Orbital evolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.5 Feedbackbetweenstructural andorbital evolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
3 Browndwarfsandextrasolarplanets 15
3.1 Formationofsub-stellar objects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3.2 Thebrowndwarf desert . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3.3 Evolutionofsub-stellar objects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
4 Theobservationalbonanzaoftransits 19
4.1 Photometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
4.1.1 Transit dynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
4.2 Spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
4.2.1 The Rossiter-McLaughlin effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
4.2.2 Transit spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
II Publications 25
5 Tidaleffectsonbrowndwarfsandextrasolarplanets 27
5.1 Tidaleffects onbrowndwarfs: application to 2M0535−05 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
5.2 Constraintsonhabitability from obliquitytides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
5.3 Tidalconstraints onplanetaryhabitability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
5.4 Tidaleffects onthehabitability ofexoplanets: GJ581d . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
6 Transitsofextrasolarplanets 71
6.1 Transitdetections ofextrasolar planetsI. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
6.2 Transitdetections ofextrasolar planetsII. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
6.3 Albedoandeccentricity determinationof exoplanets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
6.4 ThePhotometric Software for Transits(PhoS-T) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
III Closingthoughts 101
7 Summaryandoutlook 103A Appendix 105
A.1 Aufder Suche nachextrasolaren Transitplaneten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105v
List of Figures
2.1 Cosmicbackground radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.2 Radialvelocitiesof astellar binary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.3 Tidaldistortion andsemi-majoraxes-eccentricity correlation . . . . . . . . . . . . . . . . 12
3.1 Browndwarf desert . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3.2 Evolutiontracks ofyoungbrowndwarfs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.3 Evolutiontracks ofstellar andsubstellarobjects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
4.1 Light curve ofthetransiting exoplanetHD209458b . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
4.2 SimulationsoftheRossiter-McLaughlin effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
4.3 Atmospheric transmissionspectrum of thetransiting exoplanetHD198733b . . . . . . 22
7.1 Transitpath oftheEarth asaprojection onthe celestialplane . . . . . . . . . . . . . . . 104xi
List of Symbols
∼ Proportional
≈ Approximately
≡ Is equivalent to
, Is equal to by definition
≔ Is defined by
≕ Defines
⌈x⌉ x is rounded up to the next natural number
∞ Infinity
ln(a) log (a)e
log(a) log (a)10
π Ratio of a circle’s circumference to its diameter
nP (−1)∞π = 4 ≈ 3.14159
n=0 2n+1
−1c Speed of light c , 299,792,458 m s
−11 3 −1 −2G Gravitational constant G ≈ 6.673 10 m kg s
30M Solar mass M ≈ 1.988 10 kg⊙ ⊙
27M Jupiter mass M ≈ 1.8986 10 kgJ J
8R Solar radius R ≈ 6.96 10 m⊙ ⊙
7R Jupiter radius R ≈ 7.1492 10 mJ J
9AU Astronomical unit AU ≈ 149.598 10 m
Myr Megayear Myr ≈ 31, 536, 000, 000, 000 sFAUST. Ich binnurdurch dieWelt gerannt!
EinjedGelüstergriff ich beidenHaaren,
Was nicht genügte,ließich fahren,
Was mir entwischte,ließ ichziehn.
Ich habenurbegehrt undnurvollbracht
Undabermalsgewünscht undsomit Macht
MeinLebendurchgestürmt: erst groß undmächtig,
Nunabergehtesweise,geht bedächtig.
Der Erdenkreis istmir genug bekannt.
Nachdrübenist dieAussicht unsverrannt;
Tor, wer dorthindie Augenblinzelndrichtet,
Sich überWolkenseinesgleichendichtet!
Er stehe fest undsehehiersich um:
DemTüchtigen ist diese Weltnicht stumm!
Was braucht erindieEwigkeit zuschweifen?
Was ererkennt, läßt sich ergreifen.
Er wandlesodenErdentag entlang;
WennGeister spuken,geherseinenGang,
Im Weiterschreiten finderQualundGlück,
Er, unbefriedigtjedenAugenblick!
SORGE. Wenich einmalmir besitze,
Demist alle Welt nichts nütze:
EwigesDüstre steigt herunter,
Sonnegehtnicht aufnoch unter,
BeivollkommnenäußernSinnen
WohnenFinsternissedrinnen,
Under weißvonallenSchätzen
Sich nicht in Besitzzusetzen.
Glück undUnglück wird zurGrille,
Er verhungert inder Fülle,
Sei esWonne,seiesPlage,
Schiebt ers zudemandernTage,
Ist derZukunft nurgewärtig,
Undsowird er niemalsfertig.
JohannWolfgang Goethe,“Faust” (Zeilen11433– 11466)