Determinazione di frequenze planetarie in regime di bassa metallicità stellare

The determination of planetary frequencies in different regimes of stellar metallicity is an important test for the models of extrasolar planetary systems formation and evolution. In this thesis work we have produced, for stars of low metallicity, updated planetary frequencies for giant planets and the first frequency estimates for terrestrial and neptunian planets. We have focused on a sample of 50 stars using a) high precision radial velocities obtained by the spectrograph HARPS-N, in the context of the long-term observing program Global Architecture for Planetary Systems (GAPS), at the Telescopio Nazionale Galileo (island of La Palma), and b) radial velocity archive data obtained by the HIRES spectrograph on the Keck-1 telescope (island of Hawaii). To reach the goal of this work, we have developed a detailed numerical simulation experiment (using the programming environment IDL), in the following steps: 1) Writing of a program capable of producing synthetic radial velocity signals, corresponding to planetary companions of variable mass and orbital architecture; 2) Reconstruction of the complete time series from the HIRES and HARPS-N data; 3) Execution of a Monte Carlo simulation on a grid of periods (between 0.001 and 50 years) and planetary masses (between 0.003 and 10 Mj), in order to determine the sensitivity of the entire survey to synthetic signals injected in the time series. We consider a signal detected if it fails a Chi square statistical test with the null hypothesis on a 99.9% confidence level. The results obtained have allowed us to determine the survey completeness as a function of the mass and orbital separation of the companion. Superjovian planets (Mp> 1 Mj) are retrieved throughout the investigated period range, while subjovian planets (0.1 <Mp <1 Mj) are retrieved for periods shorter than 1 year and neptunian planets (0.03 <Mp <0.1 Mj) for periods shorter than 0.03 years. Superterrestrial planets (1 <Mp <10 Me) are retrieved with high statistic probability only if on very tight orbits, P <5 d. From the survey completeness and the actually discovered planetary signals, it was possible to deduce the planetary frequency for the various regimes of companion mass and period, using a binomial probability distribution function that determines the probability of n detections on a sample of N objects and an actual frequency f_pl. For Jupiter-type planets, for which it was identified a confirmed candidate in the HARPS-N data, we determine at the 1-sigma confidence level a planetary frequency of f_pl = 2.0% (+4.3, -0.6), while for neptunian and superterrestrial planets, for which no confirmed candidates have been identified, we determine an upper frequency limit of f_pl <2.2%. These results are consistent with what is already known from previous works, considering our different sensibility to mass and orbital period. The null result in the subjovian regime is only apparently in contradiction with the planetary formation models, from which we would expect a greater abundance of these planets around metal-poor stars. In fact, recent publications show the existence of a "subjovian desert" on extremely short orbits, because of formation and orbital evolution mechanisms. As a matter of fact, there are still unconfirmed subjovian candidates in the HARPS-N data on wider orbits. Future developments in this field will be provided by the satellite Gaia, which will increase by a factor of 50-100 the sample of metal-poor stars.

La misura delle frequenze planetarie in diversi regimi di metallicità stellare costituisce un importante test dei modelli di formazione ed evoluzione dei sistemi planetari extrasolari. In questo lavoro di tesi si sono prodotte stime di frequenza aggiornate per pianeti giganti e per la prima volta per pianeti di classe terrestre o nettuniana attorno a stelle di bassa metallicità. Il lavoro si è focalizzato su un campione di 50 stelle utilizzando a) velocità radiali di altissima precisione, ottenute dallo spettrografo HARPS-N nel contesto del programma osservativo di lungo termine Global Architecture for Planetary Systems (GAPS), sul Telescopio Nazionale Galileo, isola di La Palma, e b) dati di velocità radiale di archivio ottenuti dallo spettrografo HIRES sul telescopio Keck 1, isola di Hawaii. Per raggiungere l'obiettivo finale del lavoro si è sviluppato un dettagliato esperimento di simulazione numerica (utilizzando l'ambiente IDL), costituito dalle fasi: 1) Scrittura di un programma in grado di produrre segnali di velocità radiale sintetici, corrispondenti a compagni planetari di massa e architettura orbitale variabile; 2) Ricostruzione delle serie temporali complete dai dati HIRES e HARPS-N; 3) Esecuzione di una simulazione di tipo Monte Carlo su una griglia di periodi (da 0.001 a 50 anni) e masse planetarie (da 0.003 a 10 Mj), al fine di determinare la sensibilità ai segnali sintetici iniettati nelle serie temporali dell'intera survey, utilizzando il test statistico di Chi quadro dell'ipotesi nulla con un livello di confidenza del 99.9%. I risultati ottenuti hanno permesso di determinare il livello di completezza della survey in funzione dei regimi di massa e separazione orbitale. Pianeti supergioviani (>1 Mj) sono rivelabili per tutto l'intervallo di periodi indagato, pianeti gioviani (0.1<Mp<1 Mj) per periodi inferiori a 1 anno e pianeti nettuniani (0.03<Mp<0.1 Mj) per periodi inferiori a 0.03 anni. I pianeti superterrestri (1<Mp<10 Mterra) vengono rivelati solo se su orbite molto strette (P<5 giorni). Dalla completezza dell'indagine e dai segnali planetari effettivamente scoperti si è potuta dedurre la frequenza planetaria per i regimi di massa e periodo, utilizzando una funzione di distribuzione di probabilità binomiale che determina la probabilità di n rivelazioni su un campione N di oggetti e una frequenza effettiva f_pl. Per pianeti gioviani, per i quali è stato individuato un candidato confermato nei dati HARPS-N, si determina una frequenza planetaria di f_pl=2.0% (+4.3,-0.6)(1sigma), mentre per pianeti nettuniani e superterrestri, per i quali non sono stati individuati candidati confermati, si determina un limite superiore f_pl<2.2% (1sigma). Questi risultati sono consistenti con quanto già noto da lavori precedenti, considerando la diversa sensibilità a masse e periodi orbitali. Il risultato nullo in regime subgioviano è solo apparentemente in contraddizione con i modelli di formazione planetaria, che prevederebbero una maggiore abbondanza di questi pianeti attorno a stelle povere di metalli. Pubblicazioni recenti mostrano l'esistenza di un "deserto subgioviano" su orbite estremamente strette, per via dei meccanismi di formazione ed evoluzione orbitale. Nei dati HARPS-N sono presenti candidati subgioviani non confermati su orbite più larghe. Futuri sviluppi saranno forniti dalla missione Gaia, in grado di aumentare il campione di stelle povere di metalli monitorate con sensibilità a compagni planetari di un fattore 50-100.