Exoplanet observa/ons from the ground: present status and - - PowerPoint PPT Presentation

Exoplanet ¡observa/ons ¡ from ¡the ¡ground: ¡ present ¡status ¡and ¡the ¡ golden ¡future ¡

Ignasi Ribas

Institut de Ciències de l’Espai (CSIC-IEEC)

Exoplanets at Lund, Lund, 6/5/15

The ¡exoplanet ¡revolu/on ¡

Mayor ¡et ¡al. ¡(2014) ¡

The ¡exoplanet ¡context ¡

Winn ¡& ¡Fabrycky ¡(2014) ¡

Ø 2% ¡of ¡stars ¡have ¡Jupiters ¡ Ø 22% ¡have ¡Neptunes ¡ Ø 20% ¡have ¡super-­‑Earths ¡ Ø 16% ¡have ¡Earths ¡

30-­‑50% ¡of ¡stars ¡

have ¡planets ¡of ¡ some ¡type ¡ Kepler ¡sta/s/cs ¡shows ¡that ¡(Fressin ¡et ¡al. ¡2013)… ¡

Howard ¡(2013) ¡

Temperature Mass

Kepler ¡16 ¡b, ¡Kepler ¡34 ¡b, ¡Kepler ¡38 ¡b, ¡PH1 ¡b… ¡

Circumbinary ¡planets ¡

The ¡orbit ¡of ¡ HD80606 ¡b ¡is ¡ as ¡eccentric ¡as ¡ that ¡of ¡ Halley’s ¡comet ¡

“Lava ¡planets” ¡ ¡ T ¡> ¡2500 ¡K ¡

Corot ¡7b, ¡Kepler ¡78b, ¡55 ¡Cnc ¡e, ¡Kepler ¡10b…. ¡

The Solar System is not the norm

Planets ¡with ¡ inclined ¡or ¡ retrograde ¡orbits ¡

HL ¡Tau ¡ (ALMA) ¡ Mayor ¡et ¡al. ¡(2014) ¡

Kepler-­‑11 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ (Lissauer ¡et ¡al. ¡2011) ¡

• Mul/ple ¡planetary ¡systems ¡are ¡common ¡
• Low ¡mutual ¡inclina/ons! ¡

Lissauer ¡et ¡al. ¡(2014) ¡

TESS

GAIA

JWST

CHEOPS

HST PLATO 2.0 2024 CoRoT Kepler - K2 ESA

L-mission

? “Warm” Spitzer VLT


CRIRES, FORS, 
 FLAMES, K-MOS, SPHERE

HARPS HARPS-N SOPHIE E-ELT

Now – 2015

NGTS MEarth-S HIRES

2017 2020

Instrument ¡/meline ¡

Radial ¡veloci/es ¡

• OperaTonal: ¡
• Not ¡stabilized: ¡Keck/HIRES, ¡OHP/SOPHIE, ¡Magellan/PFS

¡

• Stabilized: ¡ESO-­‑HARPS, ¡TNG/HARPS-­‑N ¡
• NIR: ¡TNG/GIANO ¡
• Very ¡acTve ¡faciliTes ¡and ¡bright ¡future ¡as ¡follow-­‑up ¡of ¡

transit ¡space ¡missions, ¡notably ¡K2, ¡CHEOPS, ¡TESS ¡and ¡ PLATO ¡ ¡

• Firm ¡future ¡projects: ¡ ¡
• OpTcal: ¡VLT/ESPRESSO ¡
• NIR: ¡CARMENES, ¡CFHT/SPIRou, ¡Subaru/IDS, ¡HET/HPF, ¡

VLT/CRIRES+ ¡

HARPS: stability at 1 m/s

ΔRV =1 m/s Δλ=0.00001 Å 15 nm 1/10000 pixel ︎ 2-fiber fed ThAr calibration ΔRV =1 m/s ΔT =0.01 K Δp=0.01 mBar Pressure controlled Temperature controlled

And ¡its ¡successor ¡VLT/ESPRESSO ¡è ¡stability ¡at ¡ 10 ¡cm/s ¡è ¡Earth-­‑like ¡planets ¡for ¡V<9 ¡(1 ¡UT) ¡or ¡ V<12 ¡(4 ¡UTs) ¡

Courtesy ¡of ¡

• S. ¡Udry

¡

An ¡unexplored ¡niche ¡

PHZ ¡(0.4 ¡M¤) ¡= ¡25 ¡d ¡ PHZ ¡(0.3 ¡M¤) ¡= ¡18 ¡d ¡ PHZ ¡(0.2 ¡M¤) ¡= ¡12 ¡d ¡

Detec/ng ¡M-­‑type ¡planets ¡

The ¡SED ¡of ¡M-­‑type ¡stars ¡

14

“classical” visible light RV instruments near-IR efficiency peak If possible, you want to

• bserve here!

Atmospheric ¡windows ¡at ¡near-­‑IR ¡ regions ¡

atmospheric absorption

The ¡CARMENES ¡instrument ¡

• Single-­‑purpose, ¡high-­‑stability ¡instrument ¡
• Wide ¡wavelength ¡coverage ¡for ¡discriminaTon ¡against ¡

intrinsic ¡variability ¡

Calar Alto high Resolution search for M dwarfs with Exoearths with Near-infrared and optical Echelle Spectrographs

Near-Infrared channel

• Precision ¡~1 ¡m/s ¡
• 550-­‑950 ¡nm, ¡R ¡= ¡82,000, ¡2.8-­‑

pix ¡sampling ¡

• In ¡vacuum, ¡stabilized ¡at ¡

ambient ¡temperature ¡

• 4kx4k ¡CCD ¡E2V ¡
• Th-­‑Ar-­‑Ne ¡lamp ¡(+F-­‑P ¡etalon) ¡

Visible channel

• Precision ¡~1 ¡m/s ¡
• 950-­‑1700 ¡nm, ¡R ¡= ¡82,000, ¡

2.8-­‑pix ¡sampling ¡

• In ¡vacuum, ¡stabilized ¡at ¡140 ¡K ¡
• Mosaic ¡2 ¡2kx2k ¡Hawaii2RG ¡

2.5 ¡µm ¡

• U-­‑Ne ¡lamp ¡(+F-­‑P ¡etalon) ¡

CARMENES ¡

• German-­‑Spanish ¡project ¡for ¡3.5-­‑m ¡Calar ¡Alto ¡
• Search ¡for ¡Earth-­‑like ¡habitable ¡planets ¡

around ¡low-­‑mass ¡stars ¡(M-­‑stars) ¡

• Survey ¡of ¡300 ¡M ¡dwarf ¡stars ¡simultaneously ¡

in ¡visible ¡light ¡and ¡near-­‑infrared ¡è ¡Good ¡ diagnosTcs ¡of ¡acTvity! ¡

• 600-­‑750 ¡nights ¡guaranteed ¡
• Now ¡in ¡MAIV ¡phase ¡
• Commissioning ¡ends ¡2015 ¡
• OperaTons ¡2016-­‑2018 ¡

The ¡CARMENES ¡instrument ¡

Transit ¡surveys ¡from ¡the ¡ground ¡

• Ground ¡based ¡surveys ¡deliver ¡planets ¡useful ¡for ¡characterizaTon ¡
• Ongoing ¡searches: ¡
• Very ¡wide ¡field: ¡HATNet, ¡SuperWASP, ¡WASP-­‑S, ¡XO ¡
• MuTplexing ¡(M ¡dwarfs): ¡MEarth, ¡APACHE ¡
• Global ¡networks: ¡HATSouth ¡
• This ¡will ¡conTnue ¡for ¡next ¡4-­‑5 ¡years, ¡pushing ¡to ¡longer ¡periods ¡

and ¡lower ¡radii ¡

• Planned ¡searches: ¡ ¡
• Very ¡wide ¡field: ¡NGTS, ¡ ¡Evryscope, ¡MASCARA ¡(all ¡sky) ¡
• Global ¡networks: ¡LCOGT ¡
• K2, ¡TESS ¡and ¡PLATO ¡will ¡force ¡ground-­‑based ¡surveys ¡to ¡find ¡a ¡

specialized ¡niche ¡

Transit ¡surveys ¡from ¡the ¡ground ¡

Transit ¡surveys ¡from ¡the ¡ground ¡

• 12 ¡x ¡200 ¡mm ¡telescopes ¡ ¡
• Total ¡FOV ¡96 ¡sq ¡deg ¡ ¡
• K ¡& ¡early ¡M ¡stars ¡
• 140 ¡sub-­‑Neptunes ¡with ¡V<15 ¡

Wheatley ¡et ¡al. ¡(2013) ¡

GJ ¡1214 ¡b ¡(Bean ¡ ¡et ¡al. ¡2011) ¡

• Physical ¡properTes ¡(T-­‑P), ¡

chemical ¡composiTon, ¡hazes, ¡ clouds ¡

• Ground-­‑based ¡observaTons, ¡

too! ¡

Atmospheric ¡ characteriza/on ¡

WASP-­‑19 ¡b ¡ ¡ (Bean ¡et ¡al. ¡2013) ¡

• OccultaTon ¡(emission) ¡

spectroscopy ¡from ¡the ¡ ground ¡

Atmospheric ¡ characteriza/on ¡

High-­‑resolu/on ¡spectroscopy ¡

• VLT/CRIRES ¡R=100,000 ¡spectroscopy ¡
• f ¡planets ¡in ¡conjuncTon ¡showing ¡CO ¡

and ¡H2O ¡absorpTon ¡(HD ¡209458, ¡τ ¡ Boo, ¡51 ¡Peg, ¡HD ¡189733, ¡HD ¡179949) ¡

Snellen ¡et ¡al. ¡(2010); ¡Rodler, ¡López-­‑Morales ¡& ¡Ribas ¡(2012) ¡

High-­‑resolu/on ¡spectroscopy: ¡the ¡future ¡

• High-­‑resoluTon ¡spectroscopy ¡

(and ¡high-­‑contrast ¡imaging) ¡ using ¡ELTs ¡will ¡open ¡the ¡door ¡to ¡ detailed ¡planet ¡characterizaTon ¡

(e.g., ¡β ¡Pic ¡b; ¡Snellen ¡et ¡al. ¡2014) ¡

• Use ¡of ¡features ¡from ¡molecular ¡

species ¡for ¡direct ¡detecTon ¡

Snellen ¡et ¡al. ¡(2013) ¡

Direct ¡imaging ¡

• Huge ¡potenTal, ¡in ¡

NIR ¡and ¡submm ¡ (ALMA) ¡

• VLT/SPHERE ¡and ¡

Gemini/GPI ¡entering ¡

• peraTons ¡

HR ¡8799 ¡(Marois ¡et ¡al. ¡2010) ¡ β ¡Pic ¡(Lagrange ¡et ¡al. ¡2010 ¡& ¡GPI) ¡ ¡ 2M1207B ¡(Chauvin ¡et ¡al. ¡2004, ¡2005) ¡

The ¡revolu/on ¡con/nues!… ¡