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Astrónoma UDP obtiene las imágenes y los espectros más nítidos de un sistema múltiple de exoplanetas

Existen muy pocos exoplanetas de los cuales tengamos imágenes directas, y entre ellos, la joven estrella HR 8799 aloja el único sistema multiplanetario visto directamente hasta ahora, compuesto de 4 planetas gigantes gaseosos y dos discos de polvo. Fue este sistema el elegido para probar SPHERE (Spectro-Polarimetric High-contrast Exoplanet Research), el nuevo instrumento del Observatorio VLT en Paranal.

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Alice Zurlo

SPHERE fue diseñado para buscar planetas y discos protoplanetarios, y su desempeño ha resultado ser muy superior a lo que se esperaba, permitiendo a Alice Zurlo, investigadora postdoctoral del Núcleo de Astronomía UDP, mejorar notablemente las mediciones de la masa y la órbita de los planetas de la estrella HR 8799, así como obtener espectros de alta calidad de sus atmósferas.

Alice Zurlo se integró al Núcleo de Astronomía UDP hace algunos meses, al igual que al Departamento de Astronomía de la Universidad de Chile. También es parte del núcleo milenio `Discos Protoplanetarios’ (MAD) , y del equipo del instrumento SPHERE en el Observatorio de Paranal (VLT).  Alice llegó a Chile depués de haber obtenido el grado de  Ph.D. en Astronomía en los Institutos Astrofísicos de Marsella y de Padua, ubicados en Francia e Italia respectivamente.

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Órbitas de los 4 planetas comparadas con las de nuestro Sistema Solar. Crédito: NASA’s Eyes

El sistema de la estrella HR 8799 se caracteriza por ser uno de los más complejos conocidos, con 4 planetas detectados visualmente y 2 discos de polvo. La estrella es muy joven, con una edad que se estima alrededor de los 40 millones de años (en comparación, nuestro sol tiene 4500 millones de años), al igual que sus planetas. De hecho, estos aún están en proceso de formación, lo cual explicaría que estos planetas estén a muy altas temperaturas  pese a su lejanía a la estrella, y tengan, probablemente, mucho polvo en su atmósfera.

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En el centro de la imagen está la estrella tapada por una máscara, lo que, después de ser procesada, permite observar los planetas a su alrededor.

La búsqueda de exoplanetas por imagen directa es posible gracias al uso de coronógrafos, o máscaras opacas, que atenúan la luz de la estrella principal, permitiéndonos apreciar los objetos menos brillantes alrededor, como los planetas y discos de polvo.

Pero no basta sólo con eso, también es necesaria la óptica adaptativa (Ver video explicativo aquí), que disminuye el efecto negativo de nuestra atmósfera en la calidad de las imágenes.

A pesar de la calidad y la eficacia de SPHERE en tomar imágenes donde la luz de la estrella principal está atenuada en un factor importante, es necesario un complejo procesamiento de las imágenes para detectar objetos miles de veces menos brillantes de la estrella principal.

Descripción del instrumento

SPHERE es un instrumento construido por un consorcio europeo, que vio su primera luz en Mayo del 2014. El instrumento  consta de 3 partes:

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Instrumento SPHERE

  • Un Detector de Banda Dual en Infrarrojo (IRDIS)
  • Un Espectrógrafo Integral de Campo (IFS) (ver video explicativo aquí)
  • Un Polarímetro en Luz Visible (ZIMPOL).

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IRDIS y IFS pueden observar en paralelo, mientras que ZIMPOL, como trabaja en luz visible, observa por separado.

Resultados

Los datos tomados por SPHERE son imágenes de la cámara IRDIS y IFS. Todas son imágenes en infrarrojo, en varios filtros diferentes. Los 4 planetas que orbitan alrededor de la estrella HR8799 han sido detectados sin dificultad en todos los filtros. SPHERE ha permitido por primera vez la detección del planeta mas cercano, HR8799e, en banda J, de longitud de onda mas corta.

Imágen de HR 8799 y sus planetas en varios filtros. Se pueden observar claramente los 4 planetas.

Graphics produced by IDL

Posiciones de los planetas de HR 8799 en distintas épocas.

Las imágenes de IRDIS muestran claramente los 4 planetas, por lo tanto ha sido posible medir las posiciones precisas de los objetos (puntos rosados en los diagramas de la figura) y añadirlas a las que se tenían anteriormente, para estimar mejor los parámetros de sus órbitas.

Las medidas de flujo de los planetas han sido completadas para todos los filtros de IRDIS. Con los datos de IFS ha sido posible extraer los espectros de los dos planetas más cercanos (los que entran en el pequeño campo de vista del instrumento), con una calidad que supera varios ordenes de magnitud a todas las medidas anteriores.

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Espectro del planeta HR 8799 d, donde las mediciones de IFS (línea negra) y las de IRDIS (cruces azules) concuerdan bastante bien con un espectro real de enana marrón. La diferencia entre este último y el espectro obtenido por GPI (línea verde) se explicaría por la presencia de polvo en la atmósfera del planeta.

Gracias a la calidad de estos espectros ha sido posible hacer una comparación con modelos de atmósferas de enanas marrones conocidas. Se descubrió que estos planetas gaseosos jóvenes son muy diferentes de las enanas marrones antiguas en longitudes de ondas largas, lo que quiere decir que hay presencia de polvo en la capa superior de las atmósferas de estos objetos.

En las longitudes de onda mas cortas los espectros de planetas y enanas marrones coinciden perfectamente, lo que nos hace preguntarnos si hay diferencia en el proceso de formación de este tipo de objetos.

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Gracias a instrumentos como SPHERE o su gemelo americano, GPI (Gemini Planet Imager, instalado en el telescopio Gemini South) se podrán estudiar estrellas jóvenes con planetas y discos, lo que nos permitirá comprender mejor cómo se forman los sistemas planetarios. Otros métodos para estudiar exoplanetas, como los tránsitos o las velocitades radiales, son afectados por la excesiva actividad de las estrellas jóvenes, y por ello tienen que ser excluídas de sus observaciones.

En un futuro próximo, telescopios gigantes como el E-ELT o el TMT nos permitirán obtener imágenes directas de planetas tan pequeños como la Tierra.

Esta publicación fue financiada por el Fondo ALMA-CONICYT, asignado al proyecto N° 31140016