Conferencia Exoplanets 2 (Cambridge 2018) (I)

Introducción 

Este artículo forma parte de una serie donde se irán desgranando los principales temas tratados en la conferencia. No es que yo estuviera allí. Lo que aquí se expone es una reinterpretación historiada buscando información sobre los temas tratados. Cuando se pone una frase en boca de alguien es porque la ha pronunciado sea en Exoplanets 2 o en otro lugar. Cuando se dice no asistió significa que no estuvo o que no dio lugar a algo noticiable. La información que se da de los astrofísicos es pública y coincide con la visión que ellos quieren dar de sí mismos. Si en algunos casos estuviera desactualizada será porque los interesados no la han actualizado o no he encontrado la información. No hay ninguna intencionalidad oculta. El orden de los conferenciantes ha sido alterado para tratar los temas de forma adecuada. Los errores son pues sólo atribuibles al autor. Podría no haberlo escrito y aprovechar en otros escritos la información conseguida, hubiera sido lo inteligente pero sentía la necesidad de escribir de exoplanetas sin ser muy pesado. Los artículos intentan pues dar una visión actual, aunque un poco a salto de mata, de la exoplanetología. Cosa difícil por el auge dinámico de esta ciencia.

La Conferencia es importante porque hace ya 10 años que se celebró en Cambridge también Exoplanets 1, toda una vida en este dinámico campo que empezó hace sólo 23 años. Josh Winn, el descubridor de los tránsitos de 55 Cnc e, recalca que que en aquel tiempo el planeta más pequeño conocido era del tamaño de Neptuno: GJ 436 b. Ahora hemos descubierto el sistema Trappist-1 con 7 exoplanetas del tamaño de la Tierra tres de ellos en zona habitable a sólo unos 40 años luz.

La conferencia Exoplanets2 se celebró en Cambridge entre las fechas: 2-6 de julio de 2018

Los organizadores fueron Didier Queloz y Kevin Heng. 

Fig. 1 Asistentes a la Conferencia Exoplanets 2 Son unos 300. En primer plano el laberinto de carteles. Siempre se puede descubrir un cartel que no has visto todavía. Cada uno intenta llamar la atención sobre su cartel: ¡La semana pasada anunciamos un nuevo júpiter, de largo período candidato en K2! Hay un póster (#38) que muestra el proceso de descubrimiento y de investigación — ¡ ven a encontrarlo en las profundidades del laberinto!

No estaban todos y echamos en falta la presencia de astrofísicos españoles como Guillem-Anglada, el descubridor de Proxima b, Rafael Rebolo, el descubridor de la primera enana marrón, Ignasi Ribas astrofísico que ha teorizado sobre las condiciones ambientales en distintos exoplanetas como Proxima b, Pedro J. Amado que ha descubierto varios exoplanetas cercanos y es el alma mater de Carmenes el buscador de exoplanetas alrededor de enanas ultrafrías que ya ha tenido algunos descubrimientos, Alex Suárez Mascareño y David Montes que han hecho varios descubrimientos de exoplanetas, etc. Sólo la presencia de Mercedes López-Morales una brillante investigadora española que hizo su programa de pregrado en la Universidad de La Laguna, en las Islas Canarias, pero que ha desarrollado su carrera en Chapel Hill en la Universidad de Carolina del Norte en atmósferas de exoplanetas mitigaba esta ausencia. La relación no pretende ser exhaustiva sólo demostrar que en las penosas condiciones de investigación españolas en este boyante campo de investigación, España es un país puntero a nivel mundial. Esperemos esto pronto cambie una vez removido el principal obstáculo.

Como asistentes extranjeros destaca la presencia de muy destacados expertos de los que por citar algunos están Michel Mayor el descubridor del primer exoplaneta alrededor de una estrella de la secuencia principal, 51 Peg b, David Charbonneau descubridor del primer planeta por el método del tránsito HD 209458 b y la primera atmósfera de un exoplaneta alrededor del mismo planeta, Michael Gillon descubridor del sistema cercano TRAPPIST-1, Debra Ann Fischer descubridora del primer sistema exoplanetario múltiple 𝝼 de And, James Owen astrofísico teórico de atmósferas exoplanetarios y discos protoplanetarios, Lissa Kaltenegger que formó parte del equipo que anunció el descubrimiento de los primeros dos planetas Kepler potencialmente habitables, con radios menores a 2 radios terrestres en la zona habitable de sus estrellas, Kepler 62e y Kepler 62f, David Kipping que estudia los exoplanetas de largo periodo y es el pricipal valedor del programa HEK (Hunt for Exomoons with Kepler) para la búsqueda de exolunas, etc.

Es de destacar la presencia de muchos astrofísicos postdoctorales y la presencia de otros tantos estudiantes de doctorado que consideran este campo propicio para el desarrollo de su carrera académica.

Historia

La primera sesión la abre Michel Mayor que se centra en la detección de exoplanetas. Explica que el método de los tránsitos para detectar exoplanetas fue propuesto muy pronto, en 1938, por el astrónomo Otto Struve y fueron observados por primera vez en 1999 por David Charbonneau al observar HD 209458 b.

Cuenta una anécdota ocurrida en 1989, seis años antes del descubrimiento por él mismo de 51 Peg b por el método de la velocidad radial. Por aquel entonces, David Latham, del centro de astrofísica de Harvardman, utilizaba un espectrógrafo con el objetivo de localizar de manera indirecta compañeros estelares. Creyó haber percibido una oscilación sospechosa en la estrella HD 114762 que podría ser una enana marrón o un planeta gigante cuyo periodo orbital sería de 84 días. En 1992, dos investigadores estadounidenses, William Cochran y Artie Hatzes de la Universidad de Texas, remitiéndose a la baja velocidad de rotación de la estrella, intentan demostrar que probablemente el compañero de HD 114762 no es ni un planeta ni una enana marrón, sino un astro de masa superior, una estrella pequeña de la clase de las enanas rojas. Ellos también se dedican a la caza de exoplanetas desde 1987 (diez años después, descubrirán el compañero planetario de la estrella 16 Cygni B). Dave Latham para confirmar los datos pide ayuda al equipo de Mayor. Por suerte, la HD 114762 forma parte de la muestra. La han usado como estrella patrón pues los catálogos dicen que es una estrella extremadamente estable. En realidad, no lo es tanto. Sencillamente, los instrumentos no eran lo suficientemente potentes para percibirlo. El equipo suizo de Mayor se percata que en 1985 observaron una anomalía, pero que no era lo suficientemente importante así que la descartaron. Cuando David Latham llama la atención sobre este objeto al equipo de Ginebra, éste sólo tiene que repasar los datos y confirmar su descubrimiento.

Si la técnica de las velocidades radiales fuera capaz de determinar con exactitud la masa de los compañeros estelares, este debate no se habría producido. Los resultados que suministra el método de la velocidad radial es una masa mínima pues no se sabe el ángulo que forma el plano de la órbita con el plano del cielo. Si este ángulo fuera de 90º el planeta oscilaría orientado según nuestra línea de visión y la masa medida sería la verdadera. En caso que dicho ángulo desconocido es i la masa medida es m sen i así que se trata de una masa mínima pues una parte de la velocidad de la estrella escapa a nuestra percepción, por no ser radial.

Fig. 2 Captura de exoplanet.eu de los datos actuales de HD114762 b. Aunque el ahora considerado planeta fue descubierto seis años antes que 51 Peg b esto sigue considerándose el primer exoplaneta descubierto. La razón puede leerse en el texto.

El cálculo actual muestra que la masa del compañero es de 10,98 veces la masa del planeta Júpiter.
Mayor se pregunta: ¿HD 114762 es una enana marrón o es un planeta gigante? La metalicidad es baja, probablemente demasiado extrema para la acreción de un núcleo. ¡El misterio permanece!

Y permanecerá. Al no sufrir tránsitos la inclinación (i) puede ser cualquiera hay un 50% de que la masa sea superior a 15 Mj. Si el sistema presenta una inclinación mediana, este objeto debería acercarse más bien a las 30 a 40 masas de Júpiter y con una inclinación menor que 1,5º podría ser una estrella tipo M pequeña. Además, como ha destacado Mayor, la estrella HD 114762 muestra una marcada deficiencia de elementos pesados, mientras que todas las estrellas alrededor de las cuales se han descubierto planetas presentan un fuerte metalicidad. El artículo de David Latham apareció en la revista Nature en 1988, bajo el título El compañero invisible de HD 114762: una posible enana marrón. Se le denominará HD 114762 B. La B es importante ya que en aquel entonces fue considerada un compañero de naturaleza estelar. Hoy pasado el tiempo con una diferencia cada vez menos acentuada entre enanas marrones y planetas la B ha pasado a b y se le considera un planeta.

Mayor habla del aumento de la precisión del método de la velocidad radial pasando de los 300 m/s de Coravel en 1977 a los 15 m/s en 1994 con Elodie, a 6 m/seg de Coralie y en 2003 cuando se instala HARPS-S en Chile a 1 m/s. Con la instalación de ESPRESSO en Paranal la precisión pasará a ser menor de unos 20cm/seg. El requisito es llegar a 10 centímetros por segundo (cm/s), pero el objetivo está dirigido a obtener un nivel de precisión de unos pocos cm/s. Los planetas como la Tierra en zona habitable en estrellas como el Sol que requieren 9 cm/s casi están a nuestro alcance.

ESPRESSO abreviatura de Echelle SPectrograph for Rocky Exoplanet and Stable Spectroscopic Observations, es un espectrógrafo de nueva generación  y de alta resolución, que operará en breve para el Very Large Telescope del Observatorio Europeo Austral en el rango de longitud de onda visible (350 nm 720 nm), Su característica principal es la estabilidad y la espectroscopia de precisión en la velocidad radial.

El instrumento es capaz de operar por separado con el telescopio de 8 metros y en un modo en que todos los cuatro telescopios están conectados formando un telescopio equivalente de 16 m con el que el espectrógrafo llegará hasta objetos extremadamente débiles.

Lily Zhao estudiante en la Universidad de Yale bajo la dirección de Debrá Fischer habla del EXPRES espectrómetro de precisión extrema terrestre, diseñado por el equipo de Debra y construido en Yale. El nuevo espectrómetro (EXPRES), está operativo y recolectando datos en el telescopio Lowell en Arizona. EXPRES mejorará la precisión de la medición por un factor de 10, permitiendo la detección de pequeños planetas rocosos alrededor de las estrellas cercanas. Sabemos que los planetas más pequeños están por ahí, pero se han escapado a través de nuestras redes de pesca. Aunque los astrónomos han identificado miles de nuevos planetas en los últimos años, ninguno es un análogo de la Tierra dijo Fischer.

Fig. 3 Mayor muestra la precisión pasada y actual en el método de la velocidad radial 

Fig. 4 Espectrógrafo de Precisión Extrema EXPRES instalado en Telescopio Lowell en Arizona. Permitirá detectar planetas de tamaño terrestre en sistemas próximos al Sistema Solar.

Fischer anunció los detalles iniciales sobre la instalación de EXPRES en la reunión anual de 2018 de la Asociación Estadounidense para el Avance de la Ciencia en Austin, Texas. La temporada del monzón comienza en Arizona ahora en julio y durará hasta finales de agosto. Pero, durante las próximas semanas, habrá aguaceros diarios refrescando la tierra. El cierre de 5 semanas nos dará la oportunidad de revisar el software, actualizar el hardware y trabajar para mejorar el rendimiento. Este es también un momento para que el equipo EXPRES se ponga al día. En Exoplanets 2 el colaborador de Debra, Lars Buchhave y su postdoc Rene Tronsgaard Rasmussan compartieron sus resultados, extrayendo espectros EXPRES. La extracción óptima que Lars implementó da un resultado hermoso y adoptaremos su algoritmo.

La trayectoria futura de la investigación de exoplanetas depende fundamentalmente de cómo mejoremos la precisión de la velocidad radial en los espectrómetros actuales, dijo Fischer.

Los espectrómetros son instrumentos que los astrónomos usan para estudiar la luz que emiten los planetas, las estrellas y las galaxias. Se usan en tándem con un telescopio orbital o terrestre.

Con la increíble precisión espectroscópica de ESPRESSO construido por astrónomos suizos en Chile, y EXPRES de Precisión Extrema en funcionamiento en Arizona, Fischer y otros investigadores de exoplanetas se están preparando para una gran cantidad de nuevos datos que podrían impulsar drásticamente la búsqueda de exoplanetas análogos a la Tierra.

Es importante impulsar ahora la precisión del método de las velocidades radiales desde tierra porque ahora es cuando se van ha producir el lanzamiento de muchos telescopios espaciales que estudiaran los exoplanetas por el método del tránsito y los estudios desde tierra son muy importantes para completar el estudio dado que el tránsito da las propiedades geométricas del exoplaneta, como tamaño e inclinación, mientras, la velocidad radial da la masa del exoplaneta.

Hay muchos telescopios espaciales que junto a la mejora de la precisión en la velocidad radial permitirán un rápido avance en exoplanetas. Los sucesores del Kepler son el Tess ya lanzado y en los próximos años esperamos el lanzamiento del JWST, CHEOPS y PLATO. Volveremos ello en otro artículo.

 

Fig. 5 Lily Zhao estudiante de Yale con Debra Fischer mostró nuestros primeros resultados de EXPRES: una asombrosa estabilidad instrumental de 5 cm / s en la correlación cruzada LFC de frecuencia láser.

Fig. 6 Diagrama de detección por velocidad radial de todos los exoplanetas hasta 2008 y los distintos métodos. Puede sorprender la fecha, demasiado antigua. Pero hasta 2008 el método fundamental era el de la velocidad radial o Doppler desde tierra. A partir de 2009 en que se lanzó el telescopio Kepler las mayores detecciones se deben al método del tránsito. Mientras el primero determina una cota inferior de la masa el segundo determina el tamaño del planeta. No hay una relación entre ambos si antes no se determina el tipo de planeta. Si el diagrama es masa-distancia el ofrecido no difiere mucho del actual. Si el diagrama fuera tamaño-distancia habría más planetas en el entorno de Venus (V) y Tierra (E) pero no a grandes distancias en que la probabilidad de transitar disminuye mucho.

Agradecimientos a los organizadores

Los astrónomos suizos Didier Queloz y Kevin Heng director del CSH (Centre Space and Habitability) y que forma parte del equipo científico de CHEOPS, organizadores del evento han cuidado que todo estuviese correcto para tener en Oxford una excelente semana de duro trabajo. Eso sí los conferenciantes tuvieron que soportar toda la semana una ola de calor tremenda y más por esos lares. A modo de chiste afirmaban que la sala no estaba en la Zona Habitable.

Se anuncia la próxima conferencia de Exoplanets III para la que no habrá que esperar 10 años esta vez sólo dos.

¿Qué podemos esperar en Exoplanets III? Josh Winn, físico y astrónomo de la Universidad de Princeton y que descubrió los tránsitos de 55 Cnc e, señala que todos sabemos que David Kipping y su grupo están trabajando muy duro para rellenar la columna etiquetada "número de lunas en el sistema". Kipping es profesor de Astronomia de la Universidad de Columbia en New York y director del Cool Worlds Lab, que forma parte del Departamento de Astronomia.

Añade que quizá podemos esperar el descubrimiento de un no exoplaneta: el Planeta 9. ¡Ojalá!

Creo que también vamos a asistir a interesantes datos de TESS y el lanzamiento de CHEOPS previsto para 2018 que esperemos haya dado sus primeros resultados. CHEOPS utilizará fotometría de muy alta precisión para determinar el radio exacto de cuerpos planetarios de masa conocida, de entre 1 y 20 Mt. Con la mejora de la precisión en la velocidad radial se podrá averiguar la masa de más exoplanetas. De los exoplanetas que sean conocidos por los dos métodos se podrá determinar con una precisión sin precedentes la densidad media de muchas supertierras y neptunos ligeros. Ello permitirá establecer una relación entre la masa y radio de un planeta. Una vez identificadas con exactitud la masa y el radio de una muestra significativa, será posible establecer restricciones estructurales para los exoplanetas, así como nuevas teorías sobre la formación y evolución de los cuerpos planetarios en ese rango de masas. Conocer cuál es el límite que separa a los cuerpos telúricos de los gigantes gaseosos. Las investigaciones sugieren que existe un límite natural de unos 1,5 Rt, por debajo del cual la mayoría de los planetas son cuerpos telúricos. Hablaremos de esa brecha y de la fotoevaporación en otro artículo.

 Agradecimientos personales

Gracias a Jayne Birkby (@jaynebirkby) Profesora Asistente en el Anton Pannekoek Institute for Astronomy (API). Postdoctorando en la Universidad de Amsterdam y a Hannah Wakeford (@StellarPlanet) Posdoctorando del NASA Goddard Space Flight Center y del Instituto de Astrobiología de la NASA (NAI)  por permitir saber los participantes y temas de las charlas a través de sus tuits. Este agradecimiento es extensivo no sólo a este artículo dedicado a las generalidades de la Conferencia sino a todos los que de Exoplanets 2 puedan seguir. Si les ha gustado sigan atentos.....

Postdata

Hay dos artículos de Raúl Ralvar que cito porque son excelentes lecturas complementarias:

·         Otra visión de la Conferencia Exoplanets 2 la tienes en 

Las esperadas conferencias de Exoplanets 2 (Parte I) 

·         Respecto al método de la velocidad radial y a las matemáticas de la amplitud del movimiento hay una excelente divulgación llamada

Las Matemáticas de los Exoplanetas, explicadas FÁCIL: 1. VelocidadRadial.