Difusores. Detectando planetas terrestres desde la Tierra.

Kepler es uno de los telescopios espaciales más exitosos que nunca se han puesto en órbita, con varios miles de exoplanetas descubiertos, algunos además enormemente interesantes. Una de las pocas críticas que se le pueden hacer a tan magnífico telescopio es que, a menudo, los exoplanetas descubiertos son demasiado lejanos, y no es fácil realizar realizar estudios adicionales de los  más   interesantes. El K2, la segunda misión del Kepler, ha paliado en cierta medida esta debilidad, identificando algunos planetas cercanos.

Lo cierto es que las estrellas con tránsitos más interesantes son las detectadas desde observatorios terrestres: TRAPPIST-1, LHS 1140, GJ 1132, GJ 1214,.. Y es que son estrellas cercanas y muy pequeñas y los tránsitos que se producen son, por tanto, detectables desde la Tierra.

La técnica del tránsito ha permitido detectar muchos planetas terrestres. (Fuente: ESO)

Claro. Cualquier mejora que se realice en los detectores de tránsitos en la Tierra puede ser de la mayor importancia.

El futuro del método del tránsito en el espacio está bien servido, con telescopios en el espacio que prometen grandes resultados. Me refiero, claro está, a TESS, CHEOPS (ambos previstos para 2018, si no hay retrasos) y PLATO, ya en la década del 2020. Pero sería realmente útil que una mejora de la precisión de los observatorios en la Tierra permitiera detectar tránsitos de planetas terrrestres en estrellas del tipo solar.

Los observatorios que desde la Tierra intentan detectar planetas por el método del tránsito se enfrentan a dificultades adicionales a las que afectan a los detectores en el espacio. No es un tema fácil:

• La Gravedad. Sobre todo ocurre en los telescopios más grandes que las estructuras y los espejos se deforman. Así es muy difícil apuntar el telescopio de forma estable por un periodo de tiempo.

• La Atmósfera, que deforma la Point Spread Function (PFS), es decir, la forma del punto de luz de la estrella, de tal manera que parece que hay variaciones de luz que no son reales. Hay muchas fuentes de ruido: centelleo, fluctuaciones en la transparencia de la atmósfera, variaciones en las condiciones de observación (seeing), ruido de fondo,...

Se puede ver el punto de luz de la estrella (centro). A veces se desenfoca un poco el telescopio para mejorar la fotometría (izquierda) apareciendo la mancha en forma de "donut". Pero una técnica más fina parece ser la utilización de un difusor, distribuyendo la luz de la estrella de forma uniforme. (Fuente: Stefansson, 2017)

Para superar estos problemas se han desarrollado diversas técnicas. La más extendida pasa por que el punto de luz de la estrella se convierta en (por decirlo de alguna manera) un “punto gordo”. De esta manera, la luz de la estrella se distribuye por muchos más detectores de la CCD y se mejora la fotometría.

Cuando toda la luz está concentrada en unos pocos detectores es peor porque los pocos detectores que reciben la luz se saturan, y se vuelven insensibles a las variaciones de luz. Es por ello que quizá la técnica más utilizada es (y esto es sorprendente) desenfocar el telescopio (!!!) Entre otros Southworth et al. en 2009 obtuvo 434 y 385 ppm/minuto con esta técnica.

Otra técnica menos usada es aplicar filtros para seleccionar una estrecha banda del espectro de frecuencias. Se evitan de esta manera variaciones en las líneas asociadas a la absorciones telúricas, variaciones asociadas a cambios en la humedad de la atmósfera y otros efectos. Colón et al. (2012) alcanzó la precisión de 455 ppm/minuto con esta técnica.

Además de la utilización de técnicas altamente sofisticadas, como la utilización de CCDs de transferencia ortogonal (Johnson, 2009, 529 ppm/minuto).

Por supuesto, lo de desenfocar el telescopio para ganar precisión es algo “a priori”, que a veces aporta más problemas que soluciones, como astigmatismo o problemas adicionales en el apuntamiento a la estrella.

Para ello se han desarrollado los DIFUSORES, una técnica sencilla, barata y altamente efectiva. El difusor no es sino un elemento óptico que dispersa la luz de la estrella, que pasa de ser un punto de luz a un área de luz. Algo así como mirar la estrella a través de un cristal con vaho. Los más adecuados son los que dispersan la luz de forma uniforme (tophat) de tal forma que todos los detectores reciben la misma cantidad de luz. En el reciente artículo de Gudmundur Stefansson se muestran los magníficos resultados de un difusor, con una precisión de 300 ppm/minuto en la estrella 16 Cygni, o 62 ppm cada 30 minutos.

Las mejores fotometrías obtenidas en el visible. (Fuente: Stefansson et al., 2017)

Y eso está muy bien, porque para detectar el tránsito de la Tierra en el Sol se necesita bajar de 80 ppm.

Finalizando, hay que recordar el misterioso tránsito que Demory detectó en 2015 de una profundidad de unos 90 ppm (partes por millón) y que podría ser un planeta terrestre en Alfa Centauri B. Esto debería estudiarse..

El misterioso tránsito de Alfa Centauri B podría deberse a un planeta terrestre. (Fuente: Demory, 2015)

Estemos atentos.

2008. John A. Johnson et al. consiguen resultados muy buenos con la sofisticada técnica de CCD con transferencia ortogonal analizando el planeta WASP-10 b, consiguiendo 470 ppm por 1,3 minutos.

https://arxiv.org/abs/0812.0029

2010. Colón et al. consiguen una fotometría muy precisa en sus estudios de HD80606 b aplicando filtros a luz de la estrella.

https://arxiv.org/abs/1008.4800

2012. Tregloand-Reed y Southworth consiguen una fotometría de 258 y 211 ppm para las cadencias de 170 y 200 segundos respectivamente desenfocando el telescopio NTT.

https://arxiv.org/abs/1212.0686

2015. El misterioso tránsito de Demory en Alfa Centauri B. No se sabe si es la señal de un planeta.

https://arxiv.org/abs/1503.07528

2017. El interesante artículo de Gudmundur Stefansson et al. sobre la utilización de difusores tophat. 62 ppm por 30 minutos.

https://arxiv.org/abs/1710.01790