The orbital geometry of the Hot Jupiter HD189733b: new results from the Rossiter-McLaughlin Revolutions

Among the increasing number of discovered exoplanets, the ones that transit their host star are of great interest, because they can be analysed with both photometric and spectroscopic methods. By analysing a transiting planet with the spectroscopic technique it is possible to observe the Rossiter-McLaughlin (RM) effect, i.e., the radial velocity anomaly caused by the planet as it transits across the disc of its host star. The RM waveform is sensitive to the local properties of the star occulted by the transit chord, as a consequence it allows the measurement of the star-planet orbital alignment. In particular, the angle between the orbital axis of a planet and the spin axis of its host star is of fundamental importance to constrain theories on planet formation, orbital migration and tidal evolution. The classical RM effect allows the measurement of the sky projections of the stellar spin and the orbital plane, called , and the true obliquity can be determined only through strong assumptions. In this Master Thesis I present a new implementation of the revolutionary method proposed by Cegla et al. 2016 in which the geometry of the planetary system is derived by modelling the occulted regions of the star through cross-correlation analysis of the spectra rather than the apparent radial velocity change due to the spectral deformation. With the so-called Reloaded Rossiter-McLaughlin (RRM) technique, I am able to measure the true 3D spin-orbit geometry of the star-planet system. I have also implemented the recent improvement proposed by Bourrier et al. 2021, dubbed Rossiter-McLaughlin effect Revolutions (RMR), so that I can now exploit the full extent of information contained in spectral transit time series by modelling simultaneously all the in-transit cross correlation functions through a Bayesian approach, enabling the measurement of of small exoplanets even when the classical RM signal is not detectable. I have then focused my attention to HD189733b, a Jupiter-like exoplanet with a period of 2.2 days orbiting a K2 star. After validating the mathematical framework and the data analysis steps of my implementation of the RRM and the RMR techniques by comparing my results with those already published on publicly available HARPS data, I have performed a combined modelling of photometric data spanning over 15 years, high precision radial velocity data from the literature, and 8 in-transit spectroscopic time series, in a robust and reliable Bayesian framework. Most notably, I have used data coming from two sectors of TESS to obtain the most precise radius measurement of this planet so far, and unpublished spectroscopic time series over 4 nights of observations obtained in the context of the GAPS program using the ultra-stable HARPS-N spectrograph at the Telescopio Nazionale Galileo. The work I performed has produced the most accurate self-consistent set of planetary parameters among those reported in the literature for HD189733b, including a new determination of the angle for this planetary system. With the code publicly available, I have now the possibility to extend this kind of analysis to many other exoplanets with in-transit spectroscopic observations but still lacking a characterization of the 3D spin-orbit geometry of the star-planet system, making this thesis on HD189733b the first of a long series of groundbreaking works.

Tra il crescente numero di esopianeti scoperti, quelli che transitano la loro stella ospite sono di grande interesse, in quanto possono essere analizzati sia tramite il metodo fotometrico che tramite quello spettroscopico. Analizzare con la tecnica spettroscopica un pianeta che transita permette di osservare l'effetto di Rossiter-McLaughlin (RM), l'anomalia nella velocità radiale causata dal pianeta mentre transita da una parte all'altra del disco della sua stella ospite. La forma d'onda dell'RM è sensibile alle proprietà locali della stella occultata della corda del transito e di conseguenza permette di misurare l'allineamento stella-pianeta. Nello specifico, l'angolo compreso tra l'asse del piano orbitale del pianeta e l'asse di rotazione della sua stella ospite è di fondamentale importanza per poter imporre dei vincoli alle teorie di formazione planetaria, migrazione delle orbite ed evoluzione mareale. L'effetto RM classico permette di misurare la proiezione in cielo degli assi di rotazione stellare e del piano orbitale, chiamata , mentre l'obliquità vera può essere determinata solo tramite forti assunzioni. In questa Tesi Magistrale presento una nuova implementazione del metodo rivoluzionario proposto da Cegla et al. 2016 in cui la geometria del sistema planetario è derivata modellando le regioni della stella occultate dal pianeta tramite l'analisi di correlazione incrociata degli spettri, anziché il cambiamento apparente in velocità radiale a causa della deformazione dello spettro. Con la tecnica chiamata Reloaded Rossiter-McLaughlin (RRM), sono in grado di misurare la vera geometria 3D spin-orbita del sistema stella-pianeta. Ho anche implementato il recente miglioramento proposto da Bourrier et al. 2021, soprannominato effetto Rossiter-McLaughlin Revolutions (RMR), così che possa ora sfruttare nella loro interezza le informazioni contenute nella serie temporale di spettri del transito, modellando simultaneamente tutte le funzioni di correlazione incrociata durante il transito con un approccio Bayesiano, rendendo possibile la misura di degli esopianeti piccoli, anche nei casi in cui il segnale RM classico non sia rilevabile. Ho concentrato la mia attenzione su HD189733b, un pianeta Gioviano con un periodo di rivoluzione di 2.2 giorni in orbita attorno ad una stella K2. Dopo aver validato il quadro matematico e gli step di analisi dei dati della mia implementazione del RRM e del RMR, facendo un confronto dei miei risultati con quelli già pubblicati relativi ai dati pubblici HARPS, ho eseguito un modello combinato di dati fotometrici che ricoprono un arco di tempo di oltre 15 anni, misure ad alta precisione di velocità radiale prese dalla letteratura ed 8 serie temporali spettroscopiche in transito, in un contesto Bayesiano robusto ed affidabile. In particolare, ho utilizzato dati provenienti da due settori di TESS, per ottenere la misura ad oggi più precisa del raggio di questo pianeta e serie temporali spettroscopiche non pubblicate, divise in 4 notti di osservazioni ottenute nel contesto del programma GASP utilizzando lo spettrografo ultra-stabile HARPS-N al Telescopio Nazionale Galileo. Il lavoro che ho eseguito ha prodotto il set di parametri planetari più accurato ed auto-consistente tra tutti quelli riportati in letteratura per HD189733b, inclusa una nuova determinazione dell'angolo per questo sistema planetario. Con il codice pubblicamente disponibile, ho adesso la possibilità di estendere questo tipo di analisi a molti altri esopianeti con osservazioni spettroscopiche in transito, ma ancora privi di una caratterizzazione della geometria 3D spin-orbita del sistema stella-pianeta, così che questa tesi relativa ad HD189733b risulti il primo di una lunga serie di lavori innovativi.