In-flight photometry extraction of PLATO targets: Optimal apertures for detecting extra-solar planets.

Planetary Transits and Oscillations of stars (PLATO) é uma missão científica espacial europeia dedicada à sismologia estelar e à busca de exoplanetas, e cujo desenvolvimento está sendo coordenado pela Agência Espacial Europeia. Com foco na busca de assinaturas de trânsito de planetas telúricos orbitando a zona habitável de estrelas do tipo Solar da sequência principal, a missão é baseada em fotometria de altíssima precisão e estabilidade de medidas. Ela se apoia no uso de técnicas já consolidadas, a saber o método de trânsito para detecção de planetas, acompanhado de medidas de velocidade radial realizadas em solo, e a análise de oscilações estelares para caracterização de suas estrelas hospedeiras. Graças ao seu amplo campo de visada cobrindo mais de dois mil graus quadrados do céu, o instrumento PLATO será capaz de observar centenas de milhares de estrelas com magnitude aparente inferior a treze na banda visível, e detectar milhares de sistemas planetários. Por outro lado, em razão de restrições de telemetria do satélite, a extração fotométrica da maioria das estrelas necessitará ser realizada em voo. Para tanto, o método de extração fotométrica por máscara foi adotado em função de sua baixa complexidade face às restrições técnicas de voo e seu reconhecido bom desempenho. Neste contexto, o problema de desenvolvimento de máscaras fotométricas otimizadas representa o cerne do trabalho de pesquisa apresentado nesta tese. Em missões anteriores da mesma categoria do PLATO, a saber CoRoT, Kepler e TESS, máscaras fotométricas foram concebidas utilizando-se uma abordagem baseada exclusivamente na minimização da relação ruído-sobre-sinal, dado que a sensibilidade com a qual um trânsito planetário pode ser identificado, em uma curva de luz, está fortemente correlacionado com seu nível de ruído. No entanto, baixos níveis de ruído implicam, além de melhor capacidade de detecção de legítimos trânsitos planetários, maior probabilidade de que objetos de fundo presentes na cena (por exemplo, sistemas binários reproduzindo verdadeiros trânsitos planetários) sejam detectados. Dado que a maioria das estrelas-alvo do PLATO não terá imagens em solo para a identificação de falsos positivos, um projeto de máscara fotométrica baseado exclusivamente na sensibilidade de detecção de verdadeiros trânsitos planetários, sem a devida atenção aos potenciais falsos positivos, não é necessariamente a melhor estratégia. A fim de testar esta hipótese, duas métricas científicas foram introduzidas: uma para quantificar a sensibilidade de uma máscara em detectar verdadeiros e outra para quantificar sua sensibilidade em detectar falsos trânsitos planetários. A máscara ótima foi, então, definida como sendo aquela que oferecesse o melhor compromisso entre ambas as métricas. Tal abordagem, inédita, mostrou-se decisiva para a determinação de um modelo de máscara com capacidade quase ótima de detecção de planetas e com sensibilidade substancialmente reduzida a falsos positivos. De forma global, este trabalho representa um passo importante no desenvolvimento do projeto da missão PLATO, particularmente no que tange à concepção dos algoritmos de tratamento de dados de solo e de voo do instrumento, bem como dos algoritmos de detecção e caracterização de trânsitos planetários.PLAnetary Transits and Oscillations of stars (PLATO) is a European spatial scientific mission dedicated to asteroseismology and searching for exoplanets, and whose development is being carried out by the European Space Agency. With focus on Earth-like planets orbiting the habitable zone of main-sequence Sun-like stars, the mission relies on very high precision photometry and requires great stability of measurements. The mission is founded upon well-proven techniques: the transit method for detecting exoplanets, along with radial velocity follow-up from the ground, and the analysis of stellar oscillations for characterizing their host stars. Thanks to its very large field of view encompassing more than two thousand square degrees of the sky, the PLATO instrument will be able to observe several hundreds of thousands of stars with apparent magnitude lower than thirteen in the visible band, and thousands of planetary systems. In contrast, because of satellite telemetry constraints, photometry will have to be extracted in flight for most of the PLATO targets. For that, mask-based (aperture) photometry was adopted because of its sufficiently high performance and relatively low complexity for implementing on board. In this context, the development of optimal photometric apertures represents the core of the research work presented in this thesis. In the previous missions of the same category of PLATO (i.e. CoRoT, Kepler and TESS), photometric apertures were designed following an approach based uniquely on the minimization of the noise-to-signal ratio, because the sensitivity at which a planet transit can be found in a light curve is strongly correlated to its noise level. On the other hand, the higher the ease in identifying a transit-like signal because of a sufficiently low noise level, the higher the probability that background objects in the scene (e.g. binary systems reproducing legitimate planet transits) are detected. Since most of the PLATO targets will not have images available on ground for the identification of false positives, conceiving photometric masks based solely on how well a transit-like signal can be detected, paying no attention to potential false positives may not be the best strategy. To verify the consistence of this hypothesis, two science metrics were introduced allowing one to directly quantify the sensitivity of an aperture in detecting true and false planet transits. Then, the optimal aperture was defined as that which gives the best compromise between these two metrics. Such an approach, novel to this thesis, has been proven to be decisive for the determination of a mask model capable to provide near maximum planet yield and substantially reduced occurrence of false positives. Overall, this work constitutes an important step in the design of both on-board and on-ground science data processing pipelines of the PLATO mission