La inmensa mayoría de los exoplanetas cercanos al Sistema Solar han sido descubiertos midiendo los cambios en la velocidad radial de las estrellas. Como sabemos, cuando un planeta orbita en torno a una estrella induce en ella cierto movimiento, cierta oscilación que a veces puede ser detectada. Para ello, esta técnica de la velocidad radial analiza las líneas espectrales de la estrella, midiendo efectos Doppler, con la esperanza de detectar corrimientos periódicos al rojo y al azul inducidos por un planeta.
Júpiter induce cambios en la velocidad radial del Sol de unos 12,4 m/s y la Tierra, apenas unos 9 cm/s. Quizá en el caso de los exoplanetas cercanos, en el que más precisión se ha alcanzado fue con la detección del exoplaneta 82 G Eridani c, un exquisito trabajo de Francesco Pepe con HARPS, con el que se detectó una señal planetaria de 56 cm/s (Pepe et al., 2011)
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| Las estrellas pueden distorsionar las medidas de velocidad radial y el Sol, la estrella que mejor conocemos, puede ayudarnos en entender mejor estos procesos (Fuente: NASA.) |
Por supuesto, los planetas más masivos, más cercanos a su estrella y que orbitan en las estrellas menos masivas son los más fáciles de detectar. No es casualidad que los primeros exoplanetas descubiertos con esta técnica en los años 90 fueran lo que se denominan “Hot Jupiters”, gigantes gaseosos muy cercanos a su estrella que inducían cambios en la velocidad radial de la estrella de cientos de m/s.
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| Esta es la ecuación que mide la masa de un planeta detectado por velocidad radial. Para una tecnología dada (k) la única forma de detectar un planeta terrestre (m2 sini bajo) es o bien bajando el periodo (p), es decir, que esté cerca de la estrella, o bien reducir la masa de la estrella (m1) (Fuente: Coursera. La Diversidad de los Exoplanetas. Universidad de Ginebra.) |
Como consecuencia, los planetas pequeños y terrestres descubiertos más cercanos al Sistema Solar orbitan en estrellas pequeñas, enanas rojas, ya que de otra manera no habrían sido detectados. Hablamos, claro, de Proxima Centauri, la estrella de Kapteyn, Wolf 1061, GJ 832, GJ 581, GJ 876, GJ 667 C, por citar los casos más famosos. También se han detectado planetas en las estrellas más grandes, del tipo solar, pero suelen ser más masivos o estar muy cerca de su estrella: Epsilon Eridani, 82 G Eridani, 61 Virginis, HD 219134, 5 G. Capricorni (GJ 785), 66 G. Centauri y HD 95872 normalmente acogen a gigantes gaseosos o supertierrras grandes.
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| Aquí podéis ver la K (veloc. radial) de algunos de los exoplanetas más cercanos. Raramente K baja de 1 m/s. O bien se han descubierto planetas pequeños en las enanas rojas o bien planetas más grandes y cercanos a la estrella en las estrellas del tipo solar. (Fuente: Elaboración Propia) |
Las técnicas no dejan de evolucionar y cada vez estamos más cerca del momento en el que ESPRESSO, el nuevo espectrógrafo del VLT, entrará en funcionamiento en este año 2017, teóricamente con una precisión alucinante, mejor que 10 cm/s, suficiente para detectar un gemelo de la Tierra en una estrella del tipo Solar. Tal precisión se fundamenta en diversas técnicas. Una de ellas se basa en la calibración ultraestable y a largo plazo del espectrógrafo, con el montaje de astro-peines (como el instalado en HARPS), basados en instrumentos láser vinculados a un reloj atómico.
Pero con esto no basta. Es verdad, es seguro que ESPRESSO realizará aportaciones valiosas en las estrellas más estables, pero estará limitado en sus posibilidades porque el otro aspecto necesario para detectar gemelos de la Tierra es ser capaz de contrarrestar el ruido. De poco sirve tener un dispositivo superpreciso si solo vemos datos distorsionados. Por poner una analogía, es como tener un telescopio con un enorme poder de resolución sin hacer nada para corregir la distorsión que produce la atmósfera. Por mucho que tengas un telescopio más grande, si no incorporas algún mecanismo corrector de las distorsiones atmosféricas no haces sino amplificar el ruido.
Esto es lo mismo, las estrellas tienen mecanismos que inducen cambios en las velocidades radiales que pueden ser confundidos con el efecto de un planeta, pareciendo que hay un planeta cuando en verdad solo hay ruido. La principal causa son las zonas de la superficie de la estrella que parecen oscuras (manchas) por estar más frías junto a las que suelen ser más brillantes que el resto (fáculas).
Claro, el tema de caracterizar el ruido estelar, para eliminarlo de la señal e impedir que contamine nuestros datos de velocidad radial no es una tarea fácil, ni mucho menos. Para ello, los científicos han ideado una técnica ingeniosa: estudiar nuestro propio Sol y, simplemente, ponerse a buscar exoplanetas. La idea es desarrollar modelos para comprender cómo las estrellas distorsionan la señal de velocidad radial de los planetas, y la elección es obvia. El Sol es, con mucho, la estrella sobre la que más información hay disponible.
Es por eso que el espectrógrafo HARPS-N (Roque de los Muchachos, Islas Canarias), de noche (cuando las nubes lo permiten) busca planetas en las estrellas más cercanas, pero de día el instrumento no descansa y es enfocado (gracias a un pequeño telescopio solar diseñado a tal fin) al propio Sol, y sigue buscando planetas… ¡en el Sistema Solar!, lo cual no deja de tener gracia. Al parecer el equipo de Xavier Dumusque ha conseguido resoluciones cercanas a 60 cm/s tras eliminar diversas fuentes de ruido, acercándose cada vez más al objetivo del proyecto, que no es otro que detectar el planeta Venus. A Xavier le recordaréis porque es el astrónomo que hace unos años creyó detectar una señal de 51 cm/s de un planeta terrestre en Alfa Centauri B, aunque al final resultó ser un falso positivo.
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| El telescopio TNG que acoge al espectrógrafo HARPS-N ha recibido un pequeño telescopio solar que le permite observar de día al Sol y analizarlo para detectar planetas. (Fuente: Telescopio Nazionale Galileo) |
Otro planteamiento interesante es el del equipo de Raphaëlle Haywood, esa astrónoma tan apasionante que también busca planetas en las velocidades radiales del Sol. Sin embargo, su técnica es algo distinta. Para ello, utiliza el espectrógrafo HARPS (La Silla. Chile) analizando el reflejo de la luz del Sol ¡sobre el asteroide Vesta!.
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| Por su parte el HARPS de Chile observa el Sol reflejado sobre el asteroide Vesta. No hay ni que decir que Vesta afecta a las velocidades radiales introduciendo más complejidad en el análisis. (Fuente: UK Solar Physics Community) |
El ruido no es algo baladí, todos recordamos casos en los que el ruido le ha jugado alguna mala pasada a los astrónomos. Siguiendo a Xavier Dumusque podemos identificar cuatro fuentes principales de ruido estelar que hacen que las estrellas alteren su velocidad radial:
- Oscilaciones. Son el resultado de ondas de presión que vienen del interior de la estrella. Su escala temporal suele ser de unos pocos minutos. Para paliar esta fuente de ruido las mediciones de velocidad radial se toman durante un periodo de tiempo de observación nunca inferior a 15 minutos, que promedia los efectos de las oscilaciones.
- Granulación y Supergranulación. Duran de unos minutos a un par de días y son producidos por los flujos internos de convección de la estrella cuando alcanzan su superficie. Para mitigarlas, aunque sea parcialmente, se realizan varias observaciones espaciadas durante toda la noche que luego son promediadas.
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| Los gránulos son esos pequeños granitos que se ven de fondo en esta fotografía de una mancha solar Sol. (Fuente: NASA.) |
- Actividad a Corto Plazo. A menudo asociada al periodo de rotación de la estrella, son un auténtico quebradero de cabeza para los cazadores de planetas. Normalmente están producidos por las manchas solares y las fáculas de la estrella.
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| La manchas solares son una de las grandes anomalías que perturban las medidas de velocidad radial de las estrellas. (Fuente: NASA.) |
Cuando una estrella rota, la mitad de su superficie se acerca a nosotros (al azul) mientras la otra mitad se aleja (al rojo). Como al observar la estrella solo se observa un punto de luz, de alguna manera estos efectos se compensan y el efecto total es neutro, normalmente. Sin embargo, cuando en una de las mitades de la estrella hay manchas o fáculas y plagas, este equilibrio se quiebra y según donde esté la zona activa se produce un efecto neto hacia el rojo o al azul. Como las zona activas se van moviendo según la estrella rota, a menudo aparecen efectos relacionados con el periodo de rotación de la estrella.
Como ya hemos comentado las manchas solares son más oscuras que el resto de la fotoesfera, produciendo distorsiones y desequilibrios en las velocidades radiales que induce la rotación de la estrella. Normalmente asociadas a las manchas, las fáculas más brillantes que el resto de la fotosfera, compensan el efecto de las manchas al actuar en sentido contrario. Pero las fáculas aparecen a veces independientemente de las manchas, de ahí que se considere que son las principales causantes de las distorsiones de las velocidades radiales.
Esto es un problema. Las manchas, plagas y fáculas no son directamente observables en las estrellas porque no las podemos resolver. Ante esto los astrónomos han desarrollado indicadores indirectos de actividad estelar que funcionan parcialmente: la curva fotométrica, que nos permite identificar fulguraciones; FWHM “mide el grosor” de las líneas espectrales y BIS su “forma y simetría” por medio de la Función de Correlación Cruzada (CCF); y el Indicador del ratio de las líneas H y K (logRHK).
- Actividad a Largo Plazo. Con una periodicidad de varios años o décadas están originados por el ciclo magnético de la estrella. En principio, pueden afectar al estudio si se están buscando planetas de largo periodo como Júpiter o Saturno.
La lucha por construir mejores modelos describiendo el ruido que las estrellas inducen en sus velocidades radiales continúa. Son necesarios mejores indicadores de actividad estelar que alerten a los astrofísicos cuando la estrella esté distorsionando los datos. Costará porque es un tema difícil, pero es que si fuera fácil no tendría mérito pelear por ello. De cualquier forma, mientras dura esta lucha, los nuevos instrumentos como ESPRESSO pueden estudiar las estrellas del tipo solar especialmente tranquilas y éstas puedan quizá empezar a revelar sus más íntimos secretos.
2015. Dumusque describe sus esfuerzos para mejorar la precisión de HARPS observando el Sol con un telescopio solar.
Un resumen de este artículo en Astrobites.
2016. Haywood et al. nos muestran el resultado de sus estudios para observar la luz del Sol reflejada en Vesta.
Un resumen del artículo.
Actualmente me estoy leyendo la maravillosa tesis doctoral de Raphaëlle Haywood, todo un compendio de las principales técnicas utilizadas en los estudios de velocidad radial en estrellas activas. Totalmente recomendable para los que quieran profundizar un poco más en este mundo. Como ejemplo Raphaëlle aplica las técnicas a los míticos sistemas Kepler-10, Kepler-78 y el difícil caso de Corot-7. Según ella, Kepler-10 c en coherencia con los resultados de Dumusque, es un enorme planeta rocoso.
Descripción del telescopio solar del TNG para HARPS-N.
