Two roads to planet detection

One of the most exciting discoveries in astrophysics of the last last decade is of the sheer diversity of planetary systems. These include "hot Jupiters", giant planets so close to their host stars that they orbit once every few days; "Super-Earths", planets with sizes intermediate to those of Earth and Neptune, of which no analogs exist in our own solar system; multi-planet systems with planets smaller than Mars to larger than Jupiter; planets orbiting binary stars; free-floating planets flying through the emptiness of space without any star; even planets orbiting pulsars. Despite these remarkable discoveries, the field is still young, and there are many areas about which precious little is known. In particular, we don't know the planets orbiting Sun-like stars nearest to our own solar system, and we know very little about the compositions of extrasolar planets. This thesis provides developments in those directions, through two instrumentation projects.

The first chapter of this thesis concerns detecting planets in the Solar neighborhood using precision stellar radial velocities, also known as the Doppler technique. We present an analysis determining the most efficient way to detect planets considering factors such as spectral type, wavelengths of observation, spectrograph resolution, observing time, and instrumental sensitivity. We show that G and K dwarfs observed at 400-600 nm are the best targets for surveys complete down to a given planet mass and out to a specified orbital period. Overall we find that M dwarfs observed at 700-800 nm are the best targets for habitable-zone planets, particularly when including the effects of systematic noise floors caused by instrumental imperfections. Somewhat surprisingly, we demonstrate that a modestly sized observatory, with a dedicated observing program, is up to the task of discovering such planets.

We present just such an observatory in the second chapter, called the "MINiature Exoplanet Radial Velocity Array," or MINERVA. We describe the design, which uses a novel multi-aperture approach to increase stability and performance through lower system etendue, as well as keeping costs and time to deployment down. We present calculations of the expected planet yield, and data showing the system performance from our testing and development of the system at Caltech's campus. We also present the motivation, design, and performance of a fiber coupling system for the array, critical for efficiently and reliably bringing light from the telescopes to the spectrograph. We finish by presenting the current status of MINERVA, operational at Mt. Hopkins observatory in Arizona.

The second part of this thesis concerns a very different method of planet detection, direct imaging, which involves discovery and characterization of planets by collecting and analyzing their light. Directly analyzing planetary light is the most promising way to study their atmospheres, formation histories, and compositions. Direct imaging is extremely challenging, as it requires a high performance adaptive optics system to unblur the point-spread function of the parent star through the atmosphere, a coronagraph to suppress stellar diffraction, and image post-processing to remove non-common path "speckle" aberrations that can overwhelm any planetary companions.

To this end, we present the "Stellar Double Coronagraph," or SDC, a flexible coronagraphic platform for use with the 200" Hale telescope. It has two focal and pupil planes, allowing for a number of different observing modes, including multiple vortex phase masks in series for improved contrast and inner working angle behind the obscured aperture of the telescope. We present the motivation, design, performance, and data reduction pipeline of the instrument. In the following chapter, we present some early science results, including the first image of a companion to the star delta Andromeda, which had been previously hypothesized but never seen.

A further chapter presents a wavefront control code developed for the instrument, using the technique of "speckle nulling," which can remove optical aberrations from the system using the deformable mirror of the adaptive optics system. This code allows for improved contrast and inner working angles, and was written in a modular style so as to be portable to other high contrast imaging platforms. We present its performance on optical, near-infrared, and thermal infrared instruments on the Palomar and Keck telescopes, showing how it can improve contrasts by a factor of a few in less than ten iterations.

One of the large challenges in direct imaging is sensing and correcting the electric field in the focal plane to remove scattered light that can be much brighter than any planets. In the last chapter, we present a new method of focal-plane wavefront sensing, combining a coronagraph with a simple phase-shifting interferometer. We present its design and implementation on the Stellar Double Coronagraph, demonstrating its ability to create regions of high contrast by measuring and correcting for optical aberrations in the focal plane. Finally, we derive how it is possible to use the same hardware to distinguish companions from speckle errors using the principles of optical coherence. We present results observing the brown dwarf HD 49197b, demonstrating the ability to detect it despite it being buried in the speckle noise floor. We believe this is the first detection of a substellar companion using the coherence properties of light.

Détection et caractérisation de nouveaux disques circumstellaires autour d’étoiles de faibles masses et naines brunes jeunes.

La présence de disques circumstellaires signale la formation actuelle ou passée de systèmes planétaires, pour lesquels les processus de formation sont encore mal compris. Ce mémoire porte sur la détection et la caractérisation de disques circumstellaires autour d’étoiles de faibles masses (types spectraux > K5) et de naines brunes qui sont candidates ou membres d’associations cinématiques jeunes. Nous présentons ici les résultats de cette recherche ainsi que son implication pour la compréhension des processus de formation et d’évolution des systèmes planétaires. De l’échantillon initial composé de ∼ 1600 objets provenant des relevés BANYAN de Malo et al. ainsi que Gagné et al., dont seulement 600 satisfont nos critères de qualité sur les données, quatre nouveaux candidats de disque ont été découverts en détectant leur excès d’émission infrarouge dans les données d’archive de la mission WISE. Les données du relevé 2MASS ainsi que les spectres synthétiques BT-Settl ont été conjointement utilisés pour modéliser l’émission des étoiles. Les nouveaux candidats, dont les types spectraux sont tardifs (M4.5 à L0) et les masses se situent entre ∼ 13 et 120 M_Jup, ont des températures de disque de ∼ 135–520 K et des luminosités fractionnaires de 0,021–0,15. Pour deux des cibles, nous avons obtenu des spectres dans les longueurs d’onde visibles et infrarouges proches. Ces nouveaux spectres montrent respectivement des signes d’émission en Hα et Paβ, indiquant la présence d’accrétion, et ainsi de gaz, et renforçant l’hypothèse que ces objets sont réellement jeunes. Ces deux objets, vraisemblablement âgés de 40 Ma, pourraient représenter la première détection et caractérisation de disques porteurs de gaz plus vieux que 20 Ma.

Recherche et analyse d'étoiles naines blanches chimiquement stratiées dans le Sloan Digital Sky Survey

Ce mémoire présente une recherche détaillée et une analyse des étoiles naines blanches hybrides chimiquement stratifiées dans le Sloan Digital Sky Survey (SDSS). Une seule étoile stratifiée, PG 1305-017, était connue avant notre recherche. L'objectif principal est de confirmer l'existence de plusieurs nouvelles étoiles stratifiées. Pour ce faire, il a fallu dans un premier temps développer une nouvelle génération de modèles d'atmosphère à partir de ceux de Bergeron et al. (1991) et Tremblay & Bergeron (2009). Nous y avons ajouté l'opacité de toutes les raies d'hélium et les calculs nécessaires pour tenir compte de la stratification chimique de l'atmosphère, où une mince quantité d’hydrogène flotte en équilibre diffusif au-dessus d’une enveloppe massive d’hélium. En parallèle, nous avons aussi calculé des modèles standards, chimiquement homogènes. Ensuite, nous avons sélectionné des naines blanches chaudes (Teff > 30,000 K) de type spectral hybride (traces d'hélium et d'hydrogène) parmi les ~38,000 naines blanches répertoriées dans le SDSS. Un total de 52 spectres d'étoile a été retenu dans notre échantillon final. La technique spectroscopique, c'est-à-dire l'ajustement des raies spectrales des modèles sur un spectre observé, a été appliquée à toutes les étoiles de notre échantillon. Nous avons ainsi mesuré la température effective, la gravité de surface et la composition chimique de l'atmosphère de ces étoiles. Par l'ajustement simultané de modèles stratifiés et homogènes, nous avons aussi pu déterminer si les étoiles étaient stratifiées ou non. Nous identifions ainsi 14 naines blanches stratifiées. Nous tirons de ces résultats plusieurs conclusions sur les processus physiques expliquant la présence d'hélium dans l'atmosphère.

Détection et caractérisation de nouveaux disques circumstellaires autour d’étoiles de faibles masses et naines brunes jeunes

La présence de disques circumstellaires signale la formation actuelle ou passée de systèmes planétaires, pour lesquels les processus de formation sont encore mal compris. Ce mémoire porte sur la détection et la caractérisation de disques circumstellaires autour d’étoiles de faibles masses (types spectraux > K5) et de naines brunes qui sont candidates ou membres d’associations cinématiques jeunes. Nous présentons ici les résultats de cette recherche ainsi que son implication pour la compréhension des processus de formation et d’évolution des systèmes planétaires. De l’échantillon initial composé de ∼ 1600 objets provenant des relevés BANYAN de Malo et al. ainsi que Gagné et al., dont seulement 600 satisfont nos critères de qualité sur les données, quatre nouveaux candidats de disque ont été découverts en détectant leur excès d’émission infrarouge dans les données d’archive de la mission WISE. Les données du relevé 2MASS ainsi que les spectres synthétiques BT-Settl ont été conjointement utilisés pour modéliser l’émission des étoiles. Les nouveaux candidats, dont les types spectraux sont tardifs (M4.5 à L0) et les masses se situent entre ∼ 13 et 120 M_Jup, ont des températures de disque de ∼ 135–520 K et des luminosités fractionnaires de 0,021–0,15. Pour deux des cibles, nous avons obtenu des spectres dans les longueurs d’onde visibles et infrarouges proches. Ces nouveaux spectres montrent respectivement des signes d’émission en Hα et Paβ, indiquant la présence d’accrétion, et ainsi de gaz, et renforçant l’hypothèse que ces objets sont réellement jeunes. Ces deux objets, vraisemblablement âgés de 40 Ma, pourraient représenter la première détection et caractérisation de disques porteurs de gaz plus vieux que 20 Ma.

Recherche et analyse d'étoiles naines blanches chimiquement stratiées dans le Sloan Digital Sky Survey

Ce mémoire présente une recherche détaillée et une analyse des étoiles naines blanches hybrides chimiquement stratifiées dans le Sloan Digital Sky Survey (SDSS). Une seule étoile stratifiée, PG 1305-017, était connue avant notre recherche. L'objectif principal est de confirmer l'existence de plusieurs nouvelles étoiles stratifiées. Pour ce faire, il a fallu dans un premier temps développer une nouvelle génération de modèles d'atmosphère à partir de ceux de Bergeron et al. (1991) et Tremblay & Bergeron (2009). Nous y avons ajouté l'opacité de toutes les raies d'hélium et les calculs nécessaires pour tenir compte de la stratification chimique de l'atmosphère, où une mince quantité d’hydrogène flotte en équilibre diffusif au-dessus d’une enveloppe massive d’hélium. En parallèle, nous avons aussi calculé des modèles standards, chimiquement homogènes. Ensuite, nous avons sélectionné des naines blanches chaudes (Teff > 30,000 K) de type spectral hybride (traces d'hélium et d'hydrogène) parmi les ~38,000 naines blanches répertoriées dans le SDSS. Un total de 52 spectres d'étoile a été retenu dans notre échantillon final. La technique spectroscopique, c'est-à-dire l'ajustement des raies spectrales des modèles sur un spectre observé, a été appliquée à toutes les étoiles de notre échantillon. Nous avons ainsi mesuré la température effective, la gravité de surface et la composition chimique de l'atmosphère de ces étoiles. Par l'ajustement simultané de modèles stratifiés et homogènes, nous avons aussi pu déterminer si les étoiles étaient stratifiées ou non. Nous identifions ainsi 14 naines blanches stratifiées. Nous tirons de ces résultats plusieurs conclusions sur les processus physiques expliquant la présence d'hélium dans l'atmosphère.

La implementación de la trayectoria de desarrollo sostenible por parte de los pequeños estados insulares en desarrollo del Pacífico frente a su condición de vulnerabilidad

La investigación busca determinar el propósito que persiguen los pequeños Estados insulares en desarrollo del Pacífico al adoptar una trayectoria de desarrollo sostenible. Se plantea que la adopción de una trayectoria de desarrollo sostenible es la estrategia por medio de la cual estos Estados buscan hacer frente a su condición de vulnerabilidad; lo cual logran a través del uso de la diplomacia en distintos escenarios multilaterales, con el fin de modificar tanto sus prácticas como las de otros actores.

Small states and the promotion of their foreign policy agenda in the international scenario: Trinidad and Tobago and the Kyoto Protocol

Este estudio de caso busca identificar los elementos del portafolio de política exterior de Trinidad y Tobago que le permitieron promover exitosamente sus intereses en el Protocolo de Kioto. Al hacer esto, este texto analizará las limitaciones de Trinidad y Tobago en términos de vulnerabilidades de localización, burocracia y recursos. Posteriormente, una revisión del portafolio de política exterior de este Estado ilustrará el uso de estrategias de creación de capacidades y de organización como lo son el contacto con actores institucionales y no gubernamentales, la formación de coaliciones y estrategias argumentativas, entre otras. Finalmente, este artículo concluirá que dichas acciones permitieron la promoción de la agenda de política exterior de Trinidad y Tobago a través de la creación de hojas de ruta y la coordinación de la incertidumbre con el Protocolo de Kioto. Para hacer esto, este trabajo se concentrará en examinar conceptos como vulnerabilidad y priorización, asimismo contrastando diferentes artículos académicos en la materia junto con documentos oficiales de Trinidad y Tobago.

Exploring the white dwarf cooling sequence in Globular Clusters

White dwarfs (WDs) are electron-degenerate structures that are commonly assumed to evolve via a pure cooling process, with no stable thermonuclear activity at work. Their cooling rate is adopted as a cosmic chronometer to constrain the age of several Galactic populations, including the disk, Globular Clusters (GCs) and open clusters. This thesis work is aimed at the study of the WD populations in globular clusters and is articulated in two branches. The first was focused on the study of the bright portion of the WD cooling sequence. By analyzing high resolution UV data acquired with the Hubble Space Telescope (HST), we compared the WD luminosity functions (LFs) in four Galactic GCs (namely M13, M3, NGC6752, and M5) finding an unexpected over-abundance of WDs in M13 and NGC6752 with respect to M3 and M5. Theoretical models suggest that, consistently with the blue-tail horizontal branch (HB) morphology of M13 and NGC6752, this overabundance is due to a population of slowly cooling WDs, i.e., WDs fading more slowly than in a pure cooling process thanks to an extra-energy source provided by stable thermonuclear burning in their residual hydrogen-rich envelope. This is the first empirical evidence of WDs fading at a slower rate than usually assumed, and has a crucial impact on the use of the cooling sequence as a cosmic chronometer. The second branch was focused on the search for the companion star to binary millisecond Pulsars (MSP) in the globular clusters M13 and NGC 6652: the identified companions turned out to be helium-core WDs, and provided a invaluable constraints on the mass of the neutron star and the epoch of the MSP formation.