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Abr 05 2011

Descubrimiento de exoplanetas y su caracterización

Este post participa en XVIII Carnaval de la Física del mes de Abril, que se celebra en el blog La Aventura de la ciencia.
1. Introducción

Existen cuatro diferentes técnicas en la búsqueda de exoplanetas:
   – Velocidad radial
   – Imagen directa del exoplaneta
   – Tránsitos
   – Microlentes
Tenemos que considerar que la investigación de exoplanetas aún es un área relativamente joven.

2. Técnica de la velocidad radial
Esta técnica mide con gran precisión la velocidad radial del movimiento de una estrella debido a la existencia de un planeta. El experimento más exitoso fue debido al uso del instrumento HARPS (High Accuracy Radial velocity Planetary Search project) del Observatorio de Ginebra, acoplado al telescopio de 3,6 metros de La Silla. Es un espectrómetro de alta precisión, alrededor 4 a 10 angstroms, gracias a su red de fibras ópticas. Puede medir velocidades radiales por debajo de 10 m/s, permitiendo la detección de planetas gigantes (la perturbación de Júpiter en el Sol crea una velocidad radial de 12,5 m/s). Su precisión es solo superada por el instrumento FLAME del telescopio VLT. Los objetivos de las observaciones son seleccionadas usando el catálogo HIPPARCOS de gran precisión.
Otra investigación usando esta técnica es MARVELS (Multi object APO Radial Velocity Exoplanet Large-area-Survey), con una precisión de 12 m/s. Puede buscar planetas gigantes gaseosos con periodos orbitales que varían de horas a 2 años, y masas comprendidas entre 0,5 y 10 veces la masa de Júpiter. Analizará 11.000 estrellas y se espera que detecte entre 150 y 200 nuevos exoplanetas.
También hay que destacar el instrumento TEDI (Triple Spec-Exoplanet Discovery Instrument), con un espectrómetro en infrarrojo cercano, acoplado al telescopio Hale de 5 metros en el Observatorio Palomar. Buscará exoplanetas de baja masa alrededor de estrellas de tipo M, L y T, y en estrellas enanas marrones. El prototipo ha alcanzado una precisión de 5 m/s.
En esta técnica podemos ver que la existencia de un catálogo de gran precisión y espectrómetros muy sensibles permiten el descubrimiento de nuevos exoplanetas. También estos instrumentos son la base de una nueva generación de instrumentos más precisos los cuales podrán descubrir planetas más pequeños.

3. Imagen directa de exoplanetas
Es una técnica complicada debido a que el brillo de la estrella nos impide ver el planeta. Para evitar este problema se están usando coronógrafos.
GPI (Gemini Planet Imager) usa óptica adaptativa y un coronógrafo acoplado al Observatorio Gemini Sur. Su objetivo es tomar imágenes de exoplanetas con una masa similar a Júpiter, y con una órbita de a menos 5 UA. Tiene un sistema de alto contraste, el cual será el punto de partida para futuras investigaciones en la detección de discos protoplanetarios alrededor de estrellas.
EPICS (Earth like Planet Imaging Camera Spectrograph) también usa óptica adaptativa y un coronógrafo. Su objetivo es la detección y caracterización de planetas rocosos en la zona de habitabilidad, y planetas gigantes gaseosos fríos. Usará las siguientes bandas:
   – Banda R (600 a 800 nm) para detectar O2
   – Banda J (1100 a 1430 nm) para detectar CH4 y H2O
   – Banda H (1380 a 1800 nm) para detectar CH4, CO2 y H2O
El proyecto DARWIN estaba pensado que serían cuatro satélites con ópticas de 3 metros. Su objetivo iba a ser analizar planetas de tipo terrestre y sus atmósferas, y desarrollar interferometría espacial. Iba a tener entre 10 y 100 veces mejor calidad que otros telescopios, incluso más que el telescopio espacial James Webb.
HiCIAO será acoplado en el telescopio Subaru de 8,2 metros con el objetivo de buscar planetas con masas comprendidas entre 1 y 13 veces la masa de Júpiter, y discos protoplanetarios. Usando óptica adaptativa y un coronógrafo estudiará 500 estrellas cercanas de tipo solar. Su método consiste en dividir la imagen en 2 o más imágenes y usar diferentes planos de polarización o filtros espectrales que permitan distinguir objetos débiles. Para ello usará los siguientes instrumentos:
   – SDI con filtro de metano, para la búsqueda de planetas con temperaturas por debajo de los 1400 K.
   – PDI con una resolución de 0,03″. Será la base para el estudio de discos protoplanetarios en el proyecto ALMA.
NACO también buscará exoplanetas usando óptica adaptativa y una coronógrafo acoplado al VLT. Buscará exoplanetas con temperaturas entre 130 y 800 K, y entre 1 y 25 veces la masa de Júpiter.
En el caso de la imagen directa, la técnica se ha beneficiado del uso de la óptica adaptativa y del coronógrafo, y esta técnica es usando sistemas de alto contraste y alta resolución. DARWIN iba a ser parte fundamental del desarrollo de la interferometría espacial.
4. Tránsitos
Esta técnica está basada en la detección de fluctuaciones en el brillo de una estrella cuando un exoplaneta en el mismo plano de la estrella y el observador, transita entre ambos.
El satélite francés COROT (Convection Rotation Planetary Transit) busca planetas de tipo terrestre con una cámara que se usa tanto para asterosismología (Sismología estelar) y búsqueda de exoplanetas. La cámara está acoplada a un telescopio de 0,3 metros. Gracias a estar situado en el espacio no está afectado por la turbulencia atmosférica, y gracias a ser un mini-satélite, el coste fue muy reducido en comparación con otros proyectos.
EPOCh es una satélite de la NASA con dos instrumentos: el HRI que consiste en un espectrómetro de alta resolución, y el MRI para observar tránsitos en una resolución menor. Sin embargo tiene un defecto en la cámara: no puede enfocar correctamente, aunque este problema finalmente ha sido una ventaja debido a que los objetos aparecen más extensos y con menos ruido, alcanzando alta precisión en las medidas.
El satélite Kepler es un telescopio espacial Schmidt de 0,95 metros con un fotómetro de 42 CCDs, que toman imágenes con un campo no alcanzado por otros telescopios. Kepler está buscando planetas de tipo terrestre en la zona de habitabilidad, midiendo 100.000 estrellas de la secuencia principal para incrementar la probabilidad. Inicialmente se estimo que descubriría unos 465 exoplanetas nuevos.
TrES (Trans-Atlantic Exoplanet Survey) es una red de 3 pequeños telescopios en el Observatorio Lowell, en el Observatorio Palomar y en las Islas Canarias, cuyo objetivo es buscar planetas de tipo joviano.
También, usando pequeños instrumentos, está el instrumento XO, el cual son unos teleobjetivos de 0,2 metros que cubren una ascensión recta concreta cada noche y cada estrella es estudiada cada 10 minutos.
Finalmente, el instrumento SuperWASP (Wide Angle Search for Planet) tiene una matriz de CCDs tomando imágenes toda la noche y que ofrecen un campo extraordinario. Cada imagen contiene 50.000 estrellas y son comparadas con un catálogo para hacer análisis fotométrico.
Este tipo de técnica se ha beneficiado del gran desarrollo de técnicas fotométricas en alta precisión (especialmente gracias a las cámaras CCD) y están permitiendo el desarrollo de futuros estudios de fotometría simultanea de cientos de estrellas, a la vez que el defecto en el enfoca de EPOCh ha mostrado nuevas posibilidades en la medición.
La investigación se está beneficiando también de la colaboración de astrónomos amateurs: aunque usan telescopios pequeños, usando cámaras CCD es posible observar tránsitos. La gran ventaja de esta colaboración es que se dispone tiempo ilimitado de observación.
5. Microlentes
Esta técnica es la última y más avanzada, que consiste en observar fenómenos de microlentes debidos a exoplanetas.
REX (Robotic Exoplanet discovery network) es un proyecto Británico de tres telescopios robotizados, cada uno de ellos de 2 metros, en tres lugares diferentes (Chile, Sudáfrica y Australia) para observar las 24 horas. Buscará planetas de tipo terrestre en órbitas de 4 UA, estudiando 1.000 fenómenos de microlentes conocidos. También estudiará tránsitos.
El telescopio espacial GEST (Galactic Exoplanet Survey Telescope) buscará, mirando al centro galáctico, exoplanetas situados entre 2 y 3 UA de con poca masa, alrededor de estrellas de tipo F, G y K. Tendrá un espejo primario de entre 1 y 1,5 metros.
6. Conclusión
La búsqueda de exoplanetas es un área de investigación aún muy joven, la cual se ha beneficiado de técnicas usadas en otras áreas de la astronomía. En particular:
   – Velocidad radial: espectrometría de fibra óptica y el catálogo HIPPARCOS
   – Imagen directa: óptica adaptativa, coronógrafos e interferometría
   – Tránsitos: fotometría CCD.
Estas investigaciones están permitiendo descubrir cientos de nuevos exoplanetas, lo cual no es solo importante para caracterizar otros sistemas planetarios, si no también para permitirnos conocer mejor nuestro propio Sistema Solar.
El esfuerzo en este área permitirá desarrollar una nueva generación de instrumentos:
   – situados en el espacio a bajo coste y usando interferometría
   – situados en tierra con muy alta resolución y formando parte de redes de telescopios de bajo coste para el estudio sistemático

Bibliografía
“Universe”, Octava edición. Freedman and Kaufmann III. Freeman. 2008
Geneva Observatory 23 August 2004, HARPS Home Page, http://obswww.unige.ch/Instruments/harps/Welcome.html
SDSS-III n.d., SDSS-III and Extrasolar Planets, http://www.sdss3.org/exoplanets.php
Edelstein, Ward Muterspaugh, Erskine et al. 10 October 2007, TEDI: the TripleSpec Exoplanet Discovery Instrument, arXiv:0710.2132v1 [astro-ph]
Geminy Observatory n.d., GPI Science: Exoplanets, http://gpi.berkeley.edu/pages/science_planets.html
Verinaud, Hubin, Kasper et at. 2005, The EPICS project: exoplanets detection with OWL, Proceedings IAU Colloquium No. 200, 2005
Council for the Central Laboratory of the Research Councils 2005, DARWIN Exoplanet Space Mission, http://www.darwin.rl.ac.uk
Tamura, Usuda n.d., Subaru Strategic Exploration of Exoplanets and Disks with HiCIAO/AO188 (SEEDS), Subaru Telescope “Strategic Observations”
Kasper, Amico, Pompei et al. September 2009, Direct Imaging of Exoplanets and Brown Dwarfs with the VLT: NACO Pupil-stabilised Lyot Coronagraphy at 4 μm, The Messenger 137
Centre National D’études Spatiales 2008, CNES: COROT, http://www.cnes.fr/web/CNES-en/1401-corot.php
NASA 7 January 2010, NASA – EPOXI Mission – Home, http://epoxi.umd.edu
NASA-Ames Research Center 5 February 2010, Kepler, http://kepler.nasa.gov
Caltech Astronomy 2008, TrES: The Trans-atlantic Exoplanet Survey, http://homepage.mac.com/francis.odonovan/solas/tres/tres.html
McCullough, Stys, Valenti et al. 21 March 2005, The XO Project: Searching for Transiting Extrasolar Planet Candidates, Publications of the Astronomical Society of the Pacific, 117:783–795, 2005 August
SuperWASP 3 June 2009, Exoplanets, http://www.superwasp.org/exoplanets.htm
Keith Horne, St. Andrews Astronomy Group n.d., REX, http://star-www.st-and.ac.uk/~kdh1/rex/rex.html
The Planet Factory n.d., GEST Publications, http://bustard.phys.nd.edu/GEST/publications.html

5 comentarios

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