Exoplanets Characterization: from Ultra-short Period Planets to Ultra-hot Jupiters Atmospheres

The discovery of planets orbiting around stars other than the Sun is by far the most relevant event in the galactic astrophysics of the last two decades. Since the discovery of the first exoplanet in 1995, the number of exoplanets discovered grew fast and we currently know more than 4,000 exoplanets, very diverse in dimension and distance from parent stars and also in factors as temperature, mass, density. The diversity of exoplanets is a key factor to understand more about the formation of planetary systems and in particular the formation of the Solar System and our planet, the Earth. This is the reason why observational exoplanetary science is currently focusing on two different fields: i) the characterization of exoplanets, trying to determine the radius, the mass, the density and the bulk composition of the objects observed, and ii) the characterization of their atmospheres, establishing the elements that the atmosphere of a planet supports and the mechanisms that drive the atmospheric processes. Characterization of Exoplanets Photometry with the transit method has arguably been the most successful exoplanet discovery method to date. The method’s strength is the rich set of parameters that can be obtained from transiting planets, in particular in combination with RV observations. In this framework, one of the most prolific groups is the HARPS-N Guaranteed Time Observations (GTO) Consortium, that makes use of the high resolution (R = 115,000) and extreme stability of the HARPS-N spectrograph, installed on the Telescopio Nazionale Galileo (TNG), to characterize and discover exoplanets by combining transits and RV methods. As a collaborator of this group, I studied a candidate planet discovered by K2 Campaign 16, HD 80653 b, a super-Earth planet transiting the star on a short period orbit, and used HARPS-N RV data to characterize it, finding its mass and defining its bulk density. It belongs to a peculiar class of exoplanets: the Ultra-Short Period (USP) planets, objects that orbit their stars with extremely short periods, smaller than about 2 Earth Radii and compositions similar to that of the Earth. Characterization of Atmospheres Ultra-hot Jupiters are excellent laboratories for the study of exoplanetary atmospheres. Sodium, due to its large cross-section and to the fact it is in the wavelength range of most optical spectrographs, is the most studied element, but new interesting features begin to be analyzed. Lines of iron, titanium, magnesium, but also chromium, scandium and yttrium have been found in the high resolution transmission spectra of the hottest planets. The two ultra-hot Jupiters KELT-9 b and KELT-20 b were observed in the framework of the Global architecture of Planetary Systems (GAPS) Atmosphere program. I explored more in detail the transit spectroscopy method, creating two different routines for atmosphere characterization. The first routine follows previous approaches for high-resolution spectroscopy, but is able to detect weak spectral lines such as those of magnesium, by co-adding the lines in the velocities space. Using this procedure, I analyzed the high-resolution spectra of KELT-9 b and KELT-20 b, obtaining their transmission spectra and detecting significant absorption for Na, H, Fe and Mg I. The second routine extracts the high-resolution transmission spectra of exoplanets and cross-correlates them with theoretical transmission spectra models. I analyzed the high-resolution spectra of KELT-20 b and with the cross-correlation technique I confirmed previous detections of Fe I, Fe II, and Na I.

La scoperta di pianeti che orbitano intorno ad altre stelle è uno degli eventi più importanti nell'astrofisica galattica degli ultimi due decenni. Dalla scoperta del primo esopianeta nel 1995, il numero di esopianeti scoperti è cresciuto sempre più in fretta e attualmente conosciamo più di 4,000 pianeti, molto diversi per dimensioni e distanza dalla stella ospite e anche in fattori come temperatura, massa, densità. La diversità degli esopianeti è un fattore chiave per comprendere la formazione dei sistemi planetari e in particolare la formazione del Sistema Solare e del nostro pianeta, la Terra. Questo è il motivo per cui la scienza osservativa degli esopianeti si sta concentrando su due diversi obiettivi: i) la caratterizzazione degli esopianeti, nel tentativo di determinare il raggio, la massa, la densità e la composizione degli oggetti osservati e ii) la caratterizzazione delle loro atmosfere, stabilendo gli elementi che l'atmosfera di un pianeta può supportare e i meccanismi che guidano i processi atmosferici. Caratterizzazione degli Esopianeti La fotometria, con il metodo dei transiti si è rivelato senza dubbio il metodo di scoperta di esopianeti con il maggior successo. La forza di questo metodo è il numero di parametri che possono essere ottenuti osservando il transito dei pianeti, soprattutto in combinazione con le osservazioni di velocità radiale (VR). In questo contesto, uno dei gruppi più prolifici è il Consorzio GTO di HARPS-N, che sfrutta l'alta risoluzione e l'estrema stabilità dello spettrografo HARPS-N, installato al Telescopio Nazionale Galileo, per caratterizzare e scoprire esopianeti combinando il metodo dei transiti e quello delle velocità radiali. Come collaboratore di questo gruppo, ho studiato un pianeta candidato scoperto dalla Campagna 16 della missione K2, HD 80653 b, una super-Terra che transita davanti alla sua stella con un periodo orbitale molto breve, e ho usato le VR HARPS-N per caratterizzarlo, ottenendo la sua massa e definendone la densità. Il pianeta appartiene ad una particolare classe di esopianeti: i pianeti a periodo ultra-corto, oggetti che orbitano intorno alle loro stelle con periodi estremamente brevi, più piccoli di due raggi terrestri e con composizioni simili a quella terrestre. Caratterizzazione di Atmosfere I gioviani ultra-caldi sono laboratori eccellenti per lo studio delle atmosfere esoplanetarie. Il sodio, per la sua grande sezione d'urto e per il fatto che le sue righe spettrali principali si trovano nel range spettrale della maggior parte degli spettrografi, è l'elemento più studiato, ma lo studio di nuove righe spettrali è cominciato. Righe del ferro, del titanio, del magnesio, ma anche tracce di cromo, scandio e ittrio sono state trovate negli spettri di trasmissione ad alta risoluzione dei pianeti più caldi. I due gioviani ultra-caldi KELT-9 b e KELT-20 b sono stati osservati dal programma atmosfere del gruppo italiano Global architecture of Planetary Systems (GAPS). Come membro del gruppo ho potuto esplorare più in dettaglio il metodo della spettroscopia in transito, creando due diverse routine per la caratterizzazione delle atmosfere. Il primo metodo segue approcci già utilizzati in precedenza, ma è in grado di rilevare righe spettrali deboli come quelle del magnesio, sommandole nello spazio delle velocità. Usando questo approccio ho analizzato gli spettri ad alta risoluzione di KELT-9 b e KELT-20 b e ho ottenuto i loro spettri di trasmissione, rilevando un assorbimento significativo per Na, H, Fe e Mg I. Il secondo metodo estrae gli spettri di trasmissione ad alta risoluzione e li cross-correla con modelli teorici di spettri di trasmissione. Analizzando gli spettri di KELT-20 b e utilizzando la cross-correlazione ho potuto confermare la presenza di Fe I, Fe II e Na I, trovate da analisi precedenti di altri gruppi di ricerca.