Detección de Planetas Extra-Solares

Detección de Planetas
Extra-Solares
Rafael Millan Gabet
Universidad de Cádiz - 26 Abril 2007
David Hardy
astroart.org

Contexto: nuestro lugar en el
Un área minúscula del cielo
(espesor de una moneda
vista desde 25m!) contiene
1500 galaxias!
universo …
2

Nuestra Galaxia
Mirando hacia el centro de la
Galaxia (10x8 grados)
2MASS - NASA
~ 100.000 millones de estrellas
~ 10 millones de
estrellas
3

Como se formó nuestro
sistema solar?
Nebulosa del Aguila
Las “columnas de la
creación”
Credit: T. Greene
HST (WFPC) - NASA
4

Estamos solos en el Universo?
Probablemente una pregunta tan antigua como la humanidad misma.
“Considerar que la Tierra es el único mundo habitado en el
espacio infinito es tan absurdo como asegurar que en todo un
campo sembrado de mijo solo germinará un grano”.
Metrodos, filósofo Griego (escuela de Epicuro, 341-270)
Pero, suponer no es lo mismo que demostrar …
Como veremos, por primera vez en nuestra historia, la
humanidad tiene a su disposicion las herramientas necesarias
para abordar estas preguntas científicamente!
Existen planetas en otros sistemas solares?: SI!
Existen exoplanetas similares a la Tierra?: ??
Existen exoplanetas habitables?: ??
Existe vida en otros planetas?: ??
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Los primeros exoplanetas
Muy reciente: 51 Peg (1995)!
Un método “indirecto”
Unseen
planet …
periodo
Proporciona la masa del
planeta
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El zoo actual …
Planetas muy raros!
Nuestro sistema solar
No se sabia que
podian existir.
gran masa
orbitas muy cortas
orbitas eccentricas
7 ME
Tendencia
observacional
“Jupiter calientes”
“Super-Tierras”
No se parecen en nada
a la Tierra!
1AU
7

Noticias de hoy!
Astronomers have discovered the most Earth-like planet outside our Solar System to
date, an exoplanet with a radius only 50% larger than the Earth and capable of
having liquid water. Using the ESO 3.6-m telescope, a team of Swiss, French and
Portuguese scientists discovered a super-Earth about 5 times the mass of the Earth
that orbits a red dwarf, already known to harbour a Neptune-mass planet. The
astronomers have also strong evidence for the presence of a third planet with a mass
about 8 Earth masses.
8

Donde estan las exo-Tierras?
Necesitamos nuevas técnicas ….
7 ME limite
La “zona habitable”
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Astrometría
Medir el desplazamiento inducido
en la estrella en el plano del cielo.
Método tambien indirecto,
complementario a VR.
En combinación, proporcionan la
masa real del exoplaneta.
Efecto de Júpiter (@10pc): 0.5mas
Efecto de la Tierra (@10pc): 1µas
(ancho de moneda vista desde la Luna!)
CM
Estrellas de
referencia
unseen
planet
SIM (2010-2015)
Movimiento del
Sol causado por
Jupiter, visto
desde 10pc.
10
1 µas !!

Tránsitos
Medir el (diminuto) cambio de brillo
de la estrella causado cuando el
exoplaneta pasa delante (o detrás)
del disco estelar.
datos desde la Tierra:
Efecto de Júpiter: ~1%
Efecto de la Tierra:

La primera detección directa!
Spitzer
Spitzer: telescopio espacial
infrarojo.
estrella + planeta
solo estrella!
En el infrarojo el planeta es
mucho mas brillante que en
el visible.
Detección (sorprendente) de
eclipse secundario.
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Tránsitos desde el espacio
La probabilidad de
tránsitos es muy baja
(0.1-10%).
Se deben observar
MUCHAS estrellas.
Mayor precisión
fotometrica desde el
espacio.
COROT:
Sondeo de 120000
Detección de exoplanetas
gigantes (no exo-Tierras).
Lanzamiento Dec. 2006
Misión 2-5 años
KEPLER:
Observación zona fija del
cielo, 100000
Detección de exo-Tierras!
Lanzamiento Oct. 2008
Misión 4 años
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Otro método fotométrico:
µ-lentes gravitacionales
La única técnica no espacial capaz de detectar exo-Tierras!
(récord actual: 5 ME).
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Resumen hasta ahora:
1. Hemos detectado planetas en torno a otras estrellas de la
Galaxia, y parecen ser muy comunes.
2. Los planetas encontrados hasta ahora son muy distintos de
los de nuestro sistema solar, no predichos por la teoria
nuestro conocimiento de la física de formación de sistemas
planetarios es incompleto, y cabe esperar muchas más
sorpresas.
3. En un futuro próximo, se establecerá las propiedades
estadísticas de la arquitectura de sistemas planetarios
(cuantos planetas de cada tipo, en que tipo de órbitas, etc)
[VR, SIM, CoRoT …]
4. La técnicas actuales permiten deducir sólamente las
características más generales de las atmósferas
exoplanetarias.
5. En un futuro próximo, cabe esperar (Kepler) la detección de
exoplanetas (0-100 …) similares a la Tierra.
Como establecer la habitabilidad o existencia de vida
en un planeta, A DISTANCIA ??
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Gran variedad de formas de vida,
incluso en nuestro planeta …
Extremófilos viven en nuestro
planeta en condiciones
extremas (alta o baja) de:
temperatura, presión, ácidez,
presencia de sustancias tóxicas,
radiación …
Es posible que encontremos,
mediante exploración
directa, formas de vida
similares, o sus fósiles, en
planetas o lunas de nuestro
sistemas solar (oceano bajo
la superficie de Europa, la
atmósfera de Titan …??)
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Como detectar vida en otros
sistemas solares?
No existe una definición universal de “vida”, muchas han sido
propuestas, todas son insuficientes.
Una definición: organismo que contiene información y es capaz
de reproducción y evolución por selección natural.
Criterio de selección restrictivo, pero práctico: presencia de
agua líquida y gas carbónico posibilidad de fotosíntesis
(requiere tambien energía luminosa).
Otros problemas:
La vida sera fácil de detectar solo si se ha desarrollado de
forma GLOBAL.
Si la vida se ha desarrollado siguiendo un camino distinto a la
química del carbono, podemos no identificarla.
Una ausencia de detección no implica ausencia de vida!
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Bio-indicadores
Mars Global Surveyor
visible
infrarojo
Detectar habitabilidad y presencia de vida en el espectro total
de un planeta lejano es dificil …
El espectro depende mucho de factores como la cobertura de
nubes, de la linea de visión (polos vs. ecuador), y del estado
evolutivo del planeta.
En general: buscar la presencia simultanea y en determinadas
proporciones de: O2, O3, CO2, H2O.
Conclusión: es necesario buscar en ambas zonas espectrales.
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Pero como podemos detectar
un espectro del exoplaneta?
Hay que:
Separar el planeta de la
estrella (resolución
angular).
Detectar suficientes
fotones del planeta para
medir un espectro
(sensibilidad).
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El problema de la detección directa
Ejemplo: 51 Peg b
Los exoplanetas son poco
brillantes.
mV = 27, pero HST es capaz
de mV=30!
Los exoplanetas están cerca de
su estrella.
Separación angular 65mas:
al alcanze de telescopios
modernos de D=10m.
El problema es la combinación
de esas dos características:
contraste.
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Como funciona un telescopio?
atmósfera terrestre
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Intentos heroicos desde la Tierra
Optica Adaptativa:
compensar la distorsión
atmosférica.
Ejemplo: estrella binaria
La primera IMAGEN de un
exoplaneta!!
(pero otro caso extremo …)
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La detección directa y
caracterización de exoplanetas
requiere soluciones originales
El contraste estrella-planeta es mas favorable
en el infrarojo (λ~10 µm):
~10^6-7 (en vez de ~10^10)
X Pero, resolución de un telescopio ∝ λ/D peor en
el IR …
X Para compensar, haria falta un telescopio de
diámetro D~30m! (los mayores telescopios de
hoy: D(Keck)=10m, D(HST)=2.4m).
Libre de turbulencia atmosférica espacio
Solución: Interferómetro en el espacio
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Como resolver el problema del
contraste con un interferómetro:
“Nulling”
Interferencia constructiva
Interferencia destructiva
Keck Interferometer, Mauna Kea, Hawaii
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Problema: luz exo-zodiacal
zodiacal light
La tierra vista desde Voyager 1, desde los
limites del sistema solar …
La emisión infraroja del polvo zodiacal es x300 mayor que la señal del
la Tierra …!!
Es imprescidible caracterizar esta fuente de “ruido” para las estrellas
candidatas.
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Terrestrial Planet Finder I/Darwin
Interferómetro
infrarojo.
4 telescopios +
combinador central.
D~4x3m.
Lineas de base ~
50-500m.
Dificultades:
Fondo térmico.
Complejidad óptica.
Vuelo en formación
preciso (1/1000µm).
Luz exo-zodiacal.
2015 - ESA/NASA
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Solución alternativa: un sólo
telescopio en el visible
λ~0.5-1.0 µm
Resolución ∝ λ/D un sólo telescopio de
D=6-8m es suficiente.
X Contraste menos favorable 10^10 …
Controlar la difracción mediante técnicas
avanzadas de coronografía y apodización.
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Manipular la imagen de un
telescopio
Telescopios de
forma extraña!
Coronografía
Imagen de una
estrella:
MUY oscuro
Luz central casi
eliminada
Disco de βPic, x100000
veces mas débil que la
estrella!
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Terrestrial Planet Finder-C
Telescopio “simple”
operando en el visible.
D~4x6m (x3-4 mayor
que HST).
Coronógrafo.
Dificultades:
Complejidad óptica.
Difusión de la luz por
imperfecciones ópticas
(

SETI
Un método completamente
distinto …
Busqueda de vida inteligente.
“Escuchar”, señales artificiales de
radio/ópticas.
Muchos proyectos desde 1961,
financiación privada.
Resultados:
– 100s de señales candidatas.
– 10s de señales que no se pueden
explicar como fenómenos
naturales o de interferencias.
– Ninguna ha sido confirmada al
repetir la observación.
– Pero el resultado negativo aún no
es significativo.
ATA
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Conclusiones
El los próximos 20 años, es
probable que conozcamos la
existencia de planetas
habitables/habitados fuera de
nuestro sistema solar, y que
podamos obtener su imagen
utilizando telescopios avanzados.
Planet Imager / Life Finder
En los próximos 100 años los
proyectos SETI habran escuchado
todas las estrellas de nuestra
Galaxia.
La probabilidad de éxito es difícil
de estimar. Pero si no lo
intentamos, la probabilidad de
éxito es zero.
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ackup
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How Does SIM
Work?
θ
External path delay
telescope 1
B
telescope 2
detected
intensity
detector
beam combiner
delay
line
Internal path delay
d = differential delay
0
Pathlength control to ~ 10 nm (λ/50)
required for high fringe visibility.
f = fringe position on detector
The peak of the interference pattern occurs at zero OPD to star
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Ademas, los espectros
evolucionan con la Tierra …
L. Kaltenegger (2006)
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Nulling funciona
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Target list
•Which stars to search to maximize success probability?
•Eliminate young stars:
•Higher probability of life destroying events.
•Higher exo-zodi.
•Not well developed biosignatures.
•More starspots (hard for SIM).
•Evolutionary phase:
•Width of HZ shrinks as Lstar increases toward red giant phase.
•=> select MS stars.
•SpTyp, M:
•1Byr continously HZ does not exist for spty earlier than F0.
•Variability:
•Bad: climate changes, UV, xrays, harmful for life, astrometric noise.
•E.g: Mounder min (1600) resulted from 0.5% solar variability.
•Eliminate stars with more than 1% variability.
•Metallicity:
•Higher heavy metal content of parent cloud => higher likelihood of planets forming.
•E.g.: RV shows correlation between metallicity and presence of planets.
•Companions:
•Dynamical stability.
=> Current list is ~500 stars within 25pc.
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The Roadmap
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oadmap
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