Exoplanet detection and characterization using bayesian formalisms

Abstract

Esta tesis se basa en cuatro artículos científicos de primer autor. Primero, describo el descubrimiento de un exoplaneta tipo Júpiter caliente con un período orbital ultra-corto alrededor de la estrella tipo K NGTS-6, con un período orbital de solo 21.17 horas. El análisis muestra que NGTS-6b tiene una masa y un radio de 1.33 M𝐽��� y 1.27 R𝐽��� , respectivamente, lo que resulta en una densidad de 0.71 g cm−3. Se estudió la correlación entre las velocidades radiales y el índice de actividad conocido como BIS, concluyendo que no hay correlaciones. Dada la naturaleza extrema del sistema, estudiamos los efectos de la fotoevaporación en el planeta, encontrando que a lo largo de los 9.5 Gyr de años de evolución del sistema, NGTS-6b debe haber perdido el 5% de su atmósfera gaseosa. NGTS-6b se suma a la corta lista de gigantes gaseosos con períodos ultra-cortos y es un excelente candidato para estudios de decaimiento por mareas. El segundo artículo consiste en un nuevo algoritmo, llamado ARIADNE, para el modelado de la distribución de energía espectral (SED) utilizando formalismo Bayesiano, específicamente, el promedio Bayesiano de modelos. El algoritmo consta de ajustar diferentes modelos de atmósferas estelares a la fotometría disponible públicamente y calcular la evidencia Bayesiana correspondiente a cada modelo. Luego se realiza un promedio Bayesiano sobre los modelos, utilizando la probabilidad de cada uno como peso estadístico durante el promedio. Como resultado, se obtienen distribuciones más robustas para cada parámetro de interés, particularmente la temperatura superficial y el radio estelar, resultando en un método cuasi-agnóstico con respecto a los modelos. Esta metodología fue probada con 135 estrellas observadas con interferometría que cubren el rango espectral A a M, y a través de seis diferentes modelos de atmósfera. Encontramos discrepancias que llegan hasta 0.6 𝑅���⊙ en radio estelar, una diferencia tal tiene un efecto del 60% en el radio de un posible planeta, negando completamente la homogeneidad al combinar resultados con diferentes modelos. Las estrellas más pequeñas que 0.4 − 0.5 𝑅���⊙ muestran una tendencia creciente con la disminución del radio donde ARIADNE sobreestima el radio en comparación con el valor derivado de la interferometría. Esto muestra que aún se necesita más trabajo para modelar mejor estas estrellas. ARIADNE ya ha sido utilizado en la comunidad en varios descubrimientos de exoplanetas, junto con otros usos fuera de la ciencia planetaria. Finalmente, el nuevo algoritmo de Promediación de Modelos Bayesianos se aplicó para calcular los parámetros de las estrellas huéspedes de 2 nuevos exoplanetas que descubrí. HD 18599 b es un planeta joven (300 Myr) que orbita una estrella altamente activa. El descubrimiento se hizo principalmente utilizando datos de TESS y velocidades radiales obtenidas con HARPS. HD 18599 b tiene una densidad inusualmente alta de 7±1 g cm−3, y los modelos de composición sugieren que tiene un 23% de agua y un 77% de roca y hierro en su núcleo. Estudios posteriores de la fracción de masa de agua (WMF) revelaron que HD 18599 b tiene una WMF de 0.3±0.1, sin embargo, la fracción de masa del núcleo de hierro sigue sin estar restringida. Este planeta existe en el límite del Desierto de Neptuno y es el primer planeta joven de su tipo en habitar esta región. NGTS-Nb es un Júpiter caliente identificado inicialmente por TESS, y fue descubierto de manera independiente con NGTS. Orbita a su estrella anfitriona en 4.16 días y tiene una masa y radio de 1.12 M𝐽���y 1.61 R𝐽��� respectivamente, lo cual está significativamente inflado considerando que los modelos de inflación predicen un radio de 1.13 R𝐽��� . NGTS-Nb destaca entre las estrellas con radios similares al orbitar una estrella que es significativamente más fría que sus pares, lo que sugiere que el planeta podría estar experimentando una re-inflación ahora que la estrella anfitriona está entrando en la rama subgigante.

This thesis is based on four first-author scientific articles. First, it describes the discovery of a hot Jupiter exoplanet with an ultra-short period orbiting the old K-type star NGTS-6, with an orbital period of just 21.17 hours. The analysis shows that NGTS-6b has a mass and radius of 1.33 M𝐽�� , and 1.27 R𝐽�� , respectively, resulting in a density of 0.71 g cm−3. The correlation between radial velocities and the activity index known as BIS was studied, concluding that there are no correlations, supporting the hypothesis of the planetary origin of the signal. Given the extreme nature of the system, we studied the effects of photoevaporation on the planet, finding that over the 9.5 billion years of system evolution, NGTS-6b must have lost 5% of its gaseous atmosphere. NGTS-6b is added to the short list of gas giants with ultra-short periods and makes for an excellent candidate for tidal decay studies. The second article consists of a new automatic algorithm, called ARIADNE, for the modeling of the spectral energy distribution (SED) using a Bayesian formalism, specifically, the Bayesian average of models. The algorithm involves fitting different grids of stellar atmosphere models to publicly available photometry and calculating the Bayesian evidence corresponding to each model. A Bayesian average is then performed over the models, using the probability of each one as a statistical weight during the average. As a result, more robust distributions are obtained for each parameter of interest, particularly the surface temperature and the stellar radius, resulting in a quasi-agnostic method with respect to the models. This methodology was tested with 135 stars with interferometry observations covering the spectral range from A to M dwarfs, and across six different atmosphere model grids. We found differences reaching up to 0.6𝑅��⊙in radius, such an offset would give rise to a difference in planetary radius of 60%, completely negating homogeneity when combining results with different models. Stars smaller than 0.4 − 0.5𝑅��⊙show an increasing trend with decreasing radius where ARIADNE overestimates the radius compared to the interferometrically-derived parameter. This shows there is still more work needed to be done to better model these stars. ARIADNE has already been used in the community in several exoplanet discoveries, along with other uses outside planetary science. Finally, the new Bayesian Model Averaging algorithm was applied to precisely constrain the host parameters of 2 new exoplanets I discovered, revealing some very interesting planetary properties: HD 18599 b, and NGTS-Nb. HD 18599 b is a young planet (300 Myr) orbiting a highly active star. The discovery was made primarily using TESS data and radial velocities obtained with HARPS. HD 18599 b has an unusually high density of 7±1 g cm−3, and composition models suggest that it has 23% water and 77% rock and iron in its core. Further studies of the water mass fraction (WMF) revealed HD 18599 b has a WMF of 0.3±0.1, yet the iron core mass fraction is still unconstrained. This planet exists on the edge of the Neptune Desert and it is the first young planet of its type to inhabit this region. NGTS-Nb is a hot Jupiter first identified by TESS, and it was independently discovered with NGTS. It orbits its host star in 4.16 days and has a mass and radius of 1.12 M𝐽�� , and 1.61 R𝐽�� respectively, which is significantly inflated considering inflation models predict a radius of 1.13 R𝐽�� . NGTS-Nb stands out amongst planets with similar radii by orbiting a star that is significantly colder than its peers, which suggests the planet might be undergoing re-inflation now that the host star is entering the subgiant branch.