Exoplanetas

Gaspar Lo Curto, astrónomo y científico de instrumentos en La Silla

 
“Ahora sabemos que casi cada estrella que miramos tiene planetas”

Astrónomo y científico de instrumentos (Instrument Scientist) del espectrógrafo HARPS HARPS (High Accuracy Radial velocity Planet Searcher o Buscador de Planetas con Velocidad Radial de Alta Precisión) Este instrumento, albergado en el Observatorio La Silla, de la ESO, en la Región de Coquimbo, en Chile, es uno de los espectrógrafos más precisos utilizados en la actualidad en la caracterización de exoplanetas, debido a su inigualable precisión. Aquí nos habla de la importancia de este buscador pionero en la busca de planetas fuera de nuestro sistema.

1. ¿Cómo funciona HARPS y cómo cambió la búsqueda de exoplanetas cuando empezó a funcionar?

• HARPS es un espectrógrafo de alta resolución instalado en el año 2003, en el telescopio de 3,6 metros en La Silla, en la Región de Coquimbo. El tipo de medición que hace HARPS es medir el espectro de la estrella y así inferir la presencia de un planeta. Al mirar la línea de absorción de su luz de una estrella aprendemos cuál es la velocidad a la que esta se está moviendo respecto a nosotros. Tal como una ambulancia que pasa en la calle: ese ruido cambia de tono alto a más bajo cuando se aleja. El mismo efecto (Doppler) pasa con la luz de la estrella. Entonces cuando vemos la estrella, vemos la característica de su distribución de luz, que se mueve de un lado a otro, dependiendo si se acerca o se aleja de nosotros. Si hay cambios en la velocidad de la estrella es por la fuerza gravitacional de un planeta que no vemos, pero que está ahí y que genera esa variación cuando orbita su estrella.

Para cuando HARPS llegó a su primera luz, era lejos el instrumento de más de precisión:1m/s (1 metro por segundo), que técnicamente significa que el instrumento podría detectar un movimiento de la estrella con respecto a nosotros, equivalente a la velocidad a la que un hombre se desplaza en la calle.

Con los años se vio que podía llegar un poquito más bajo, más preciso, llegó a alrededor de 0,8-0,5 m/s, lo que permitió descubrir planetas más livianos, más cerca de la masa de la Tierra.

2. Hoy HARPS lleva casi dos décadas de funcionamiento.

-Es un instrumento que tiene una tradición y que llega después de muchos años de optimización, de técnica, de observaciones para la búsqueda de exoplanetas. Cabe recordar que el primer exoplaneta fue descubierto en 1995, por Michel Mayor y Didier Queloz, que lograron el Nobel en 2019. Esas personas estuvieron involucradas con el proyecto Harps: Mayor era el investigador principal, el alma del instrumento cuando se construyó y D. Queloz era el jefe científico. Michel era gran jefe y Didier se estaba ocupando de la parte más científica de análisis de los datos, estuvieron muy involucrados.

Ahora son 18 años que está funcionando y ya descubrimos alrededor de 200 planetas, pero no son solo los números lo que cuenta, porque los telescopios espaciales han descubierto miles de planetas con la técnica de tránsito, sino más bien las características de estos planetas, Con HARPS tenemos una idea más precisa de la masa del planeta, y después de 2003, cuando HARPS empezó su operación en forma rutinaria, empezaron a salir sorpresas, planetas con masa bien baja, con masa 5 veces la de la Tierra, planetas bien cerca o dentro de la zona habitable y se descubrieron varios de estos con el curso de los años, justamente los primeros.

Esa tecnología fue pionera y otros instrumentos la siguieron para continuar buscando planetas, que es una tecnología hecha de calibraciones simultáneas, como el tipo de medición extremadamente precisa que sufre de muy pequeñas variaciones de la condición del instrumento. Entonces hay que seguir un método de calibración para corregir errores introducidos del instrumento. La idea es tener un sistema de corrección simultánea: al mismo tiempo que se observa la estrella, estamos corrigiendo el posible desplazamiento del espectro por razones instrumentales. Varios siguieron una estrategia similar.

3. ¿Después de HARPS aparecieron instrumentos que tengan mejoras?

Sí, es un campo muy dinámico. El primer descubrimiento del primer planeta extrasolar fue algo sensacional bajo varios aspectos, entonces el interés de los científicos fue muy alto, se creó un interés también de la gente y muchos grupos científicos comenzaron a evaluar instrumentos similares. El que sigue directamente a HARPS es un instrumento instalado en Paranal, Espresso, que es muy similar, pero puede alcanzar niveles de precisión mayores, de hecho, el diseño de HARPS fue optimizado para 1m/s y Espresso puede llegar a una precisión 10 veces más alta, 10 cm/s (10 centímetros por segundo). Eso es donde se pretende llegar, todavía no tenemos resultados que muestren en forma clara que llegamos a eso. Este instrumento empezó recién a operar, pero vamos en esa dirección. Y también se están construyendo proyectos para el ELT, donde se considera instalar un instrumento que pueda alcanzar altas precisiones de velocidad radial. Una de las ideas es que llegue a 1 cm/s, todavía un factor 10 más preciso, para detectar planetas más livianos. Hay que recordar que la Tierra genera un desplazamiento de nuestro Sol a una velocidad de 9 cm/s, entonces un instrumento como Harps nunca podría alcanzar a detectar un planeta como la Tierra alrededor de una estrella como el Sol, porque no fue diseñado para eso y no alcanza ese nivel de precisión. Espresso estaría al límite, de hecho, no va a poder identificar un planeta exactamente como la Tierra alrededor de una estrella exactamente como el Sol, pero sí de entre 1 y 10 masas terrestres. Pero un instrumento como lo que se piensa podría construirse para el ELT, ese sí podría detectarlo.

4. ¿Qué descubrimientos con HARPS se consideran más importantes?

-Hay muchos, es difícil elegir. Espectacular e interesante es el descubrimiento de un planeta alrededor de la estrella más cercana al Sol, Próxima Centauri, a 4 años luz de nuestro sistema solar; es una estrella enana de tipo M, bastante más chica que nuestro Sol. Ahí se descubrió un planeta de 1,3 veces la masa de la Tierra, y a una distancia de su sol que es como 5% la distancia de la Tierra, pero le llega una radiación similar a la Tierra, un poco menos 70-75%. Es bastante más frío que la Tierra, pero podría ser habitable dependiendo de las condiciones de su atmósfera, de las nubes que pueden hacer un efecto invernadero, no sabemos, es una hipótesis. Si hay nubes que hagan efecto invernadero, puede ser que tenga una temperatura más alta y pueda tener agua líquida, pero no lo sabemos, es una posibilidad. Es espectacular, porque es la estrella más cercana, libera la fantasía de todos.

No es necesariamente el resultado más importante, esos son menos espectaculares, es lo que logramos entender en estos 18 años, y es que por lo menos en la mitad de las estrellas tipo sol tienen planetas que están orbitando esta estrella, con períodos menores de un año. Eso es un número enorme. No solo estamos hablando de estrellas tipo Sol, hay planetas con masa mayor de 50 masas terrestres, simplemente en ese rango sabemos que tenemos por lo menos un planeta cada 2 estrellas. En el rango más liviano no es tan completo, no podemos tener resultado estadístico, porque es más difícil detectarlo, pero también hay muchísimos planetas. Ese para mí es un resultado importante, saber no solo que hay planetas. HARPS mostró que hay otros planetas y son muchos, son muy comunes, más de uno cada 2 estrellas. Aprendimos que hay planetas de gran masa, como Júpiter, y que es más fácil encontrarlos en estrellas con contenido mayor de metales en su atmósfera. HARPS demostró que, si apuntamos a planetas más livianos como Neptuno, esa dependencia no está, lo que entrega un vínculo al modelo de formación planetaria.

Ahora sabemos que casi cada estrella que miramos tiene planetas. Cuando alrededor de una estrella se logra detectar un planeta de masa pequeña, generalmente no llegan solos llegan en grupo, detectamos muchos planetas como Júpiter cerca de la estrella, mientras que cuando detectamos uno de masa más baja es muy raro que esté solo.

Las estrellas son casi como seres vivos, no son inmuebles, se mueven no solo porque hay planetas que orbitan alrededor de ellas, hay también atmosfera que pulsa y genera una señal en los datos, y gran parte de nuestro trabajo es tratar de separar la señal que llega de la atmósfera de la estrella, del movimiento propio de la estrella, de la que llega del planeta que la está orbitando.

5. ¿Qué viene después del descubrimiento de un exoplaneta?

-Cada planeta es interesante, porque son diferentes. Otra cosa que aprendimos es que nuestro sistema solar no es común, hay muchos sistemas solares, pero la estructura de nuestro sistema solar todavía no la encontramos, donde hay gigantes gaseosos como Saturno y adentro planetas rocosos como la Tierra.

Entonces cada vez que se detecta un planeta lo ponemos en su diagrama para entender la población, cuántos hay en esa masa, en ese rango de periodo orbital, etc. Hay mucho trabajo después de la detección de un planeta: tratar de entender y modelar cómo nacen, se forman y evolucionan. Cada nuevo planeta que se descubre puede poner vínculos, dar nueva información a este modelo que nos dice cómo nace un sistema solar.

Cuando uno de estos planetas está en situación favorable respecto a nosotros, transita entre nosotros y la estrella y genera un eclipse, la luz de la estrella cruza la atmósfera. Con un espectrógrafo tipo Harps o Espresso podemos detectar la firma de la atmósfera del planeta y eso nos permite identificar algunos elementos contenidos en ella. Eso nos ha permitido decir que, en algunos planetas, hay metales en la atmósfera, hasta lluvia de metales. También, a través de mediciones de ese tipo, se pudo descubrir que hay agua, lo que es súper interesante desde el punto de vista de la vida. No es solo descubrir un planeta. Ya entramos en la época de la caracterización y del estudio de la formación del sistema planetario.

6. ¿Qué importancia tiene que estos telescopios e instrumentos estén instalados en Chile?

-Lo crítico de Chile, lo fantástico, es la calidad de sus cielos. Por eso hay tanto observatorio astronómico aquí. Hay que recordar que el desierto de Atacama es el más seco del planeta, en esa área hay pocas nubes, poca humedad y muy poca perturbación atmosférica, que es lo que impacta de forma muy negativa nuestras observaciones. Entonces los astrónomos van buscando lugares que tengan muy poca perturbación atmosférica y que tengan un alto número de noches claras y limpias. Y no hay muchos lugares así en el mundo y además que tengan estabilidad política y una infraestructura como la que tiene Chile.

Para mí, el trabajo con HARPS en la búsqueda de planetas extrasolares, ha sido una aventura desde que llegué a Chile en 2001. Son 18 años de funcionamiento (HARPS realizó sus primeras observaciones en 2003) y no nos deja de sorprender. Que se queden mirando hacia nosotros, porque hay más y más sorpresas que van a ir llegando. Espresso que ya entró en operación, está empezando a producir publicaciones científicas y vamos a aprender muchas cosas. En el curso de los años HARPS generó más de 1.000 publicaciones científicas y hay que pensar que la mayoría son publicaciones que tomaron bastante tiempo de observación, porque un descubrimiento no es algo que llega después de una noche de observación…

7. ¿Cuantas noches de observación se necesitan para descubrir un planeta.

-Aún más si es de baja masa, porque la señal es mucho más pequeña y se necesitan más datos para poder discriminar entre ruido, contaminación, etc. Discriminar un sistema de planeta es mucho más difícil, se necesitan muchos más datos y algo realmente crítico es la disponibilidad de tiempo en los telescopios. Hay estrellas que se observaron con HARPS más de 200 veces para tratar de discriminar la señal, porque había varias señales, la estrella, el instrumento y había que separar cada señal, y esto demoró bastante tiempo.

Hay planetas mucho más sencillos, planetas como Júpiter que están muy cerca de su estrella que dejan una firma mucho más sencilla de medir. Se puede medir 15-20 veces y se reconstruye el movimiento de una estrella. La detección no se puede hacer con una sola medición, al menos no con esta estrategia. Hay que seguir observando la estrella y reconstruir su movimiento, porque estamos reconstruyendo la órbita del planeta y eso se hace con el curso del tiempo, hay que medir, esperar, medir, esperar y al final se puede reconstruir la órbita completa. Dependiendo de la complejidad del sistema, de la magnitud la señal, se puede necesitar más o más tiempo y observaciones.

Los más simples 15-20 observaciones, mínimo si parte de un planeta que no sabe nada, si tiene la efeméride del planeta se puede ir a medir directo. Hay planetas con más de 200 otros con 15 y 20 mediciones. Menor la masa, mayor número de mediciones se necesitan.

El primer planeta de Harps fue un planeta “simple”, como Jupiter cerca de su estrella, entonces la señal era de 5-10 m/s, era señal fácil de detectar, estaba orbitando su estrella con un periodo de 3-4 días, era fácil cubrir un periodo entero. fue bastante rápido y se pudo publicar en pocas semanas después de instalado Harps, pero hay publicaciones que toman años, porque la señal es muy pequeña o porque el periodo es muy largo, depende mucho. Hay discusiones que toman muchas veces si es o no señal o no, si ruido, y si es señal, si es del planeta o pulsación de la estrella, no es determinado el tiempo para publicar.