martes, 4 de septiembre de 2018

Los problemas para detectar planetas terrestres (4/5)

Fácil acceso a los artículos del bloque de 5 artículos, ya publicados:
I.                    Método de la velocidad radial.
II.                 Método del tránsito.
III.               El efecto Rossiter-McLaughlin.
IV.              El problema para detectar planetas terrestres.
V.                 Otros efectos del método del tránsito.

La búsqueda de la vida en otros mundos ha sido una curiosidad de los humanos y ahora se está convirtiendo en una aspiración tangible. Sólo la misión Kepler ha identificado miles de candidatos a planetas, varios de los cuales se encuentran dentro de la zona habitable. Por desgracia, hay fuentes de ruido procedentes de la propia estrella (llamado "jitter estelar"). Este se define como el cambio ligero indeseado y abrupto de las propiedades de una señal asociado al ruido. La representación espectral de las variaciones temporales se llama ruido de fase. Puede afectar a la amplitud, frecuencia y fase.
No lo digo yo, está citado textualmente de la página Web de Heather Cegla .  No es la primera vez que hablamos de esta doctora en astrofísica, actualmente en la Universidad de Ginebra y en el Observatorio de Ginebra y CHEOPS Research Fellow, lo hicimos en la pasada entrada:
III.               El efecto Rossiter-McLaughlin.
En la charla en Exoplanets 2 de Heather Cegla, dice: Algunas hipótesis comunes al medir el efecto RM son i) que se considera la rotación de la estrella como un cuerpo sólido. ii) las líneas del espectro tienen siempre un perfil gaussiano. Pero sabemos que no es cierto. Sabemos que para el Sol el ecuador gira respecto a las estrellas en 24,7 días que llega a los 34 días a una latitud de 85º. Además las superficies estelares son complejas, por e.j., la granulación cambia el perfil de la línea, el desplazamiento convectivo al azul (CB por sus siglas en inglés Convective Blueshift ) afecta a la curva RV. El CB se debe a la convección de la estrella y es distinto para cada tipo estelar y también depende del campo magnético estelar.

Los fenómenos de la superficie de una estrella

El Sol es la estrella más cercana que tenemos y la que mejor conocemos. Su estructura consta de un núcleo que ocupa 1/5 del radio muy denso y caliente (150 gr/cc y 15,7 millones de grados respectivamente) donde tienen lugar las reacciones nucleares que producen su energía. Esta rodeado de una zona radiante de plasma, (hidrógeno y helio ionizado) que se extiende hasta una densidad de 0,2 gr/cc y temperatura de 2 millones de grados en la que el calor se transporta por radiación. Ocupa la mitad de radio solar. El 30% restante lo ocupa la parte más exterior: la zona convectiva donde el transporte se efectua como en la atmósfera terrestre o un puchero al fuego. El gas caliente se dilata y forma corrientes ascendentes de material desde la zona caliente hasta la zona superior, y simultáneamente se producen movimientos descendentes de material desde las zonas exteriores menos calientes. En ella los gases dejan de estar ionizados y los fotones son absorbidos con facilidad. El material se convierten en opaco al transporte por radiación. Acaba en la fotoesfera que es la superficie del Sol que vemos, temperatura 5.700ºK y gas extraordinariamente enrarecido de densidad 2x10-7 gr/cc. Tiene unos 100 o 200 km de profundidad. Estas celdas convectivas son lo que en la superficie del Sol vemos como granulación fotoesférica. Cada gránulo tiene de unos 700 a 1500 km y tienen una vida media de tan sólo unos nueve minutos. Tienen muchas veces forma hexagonal y están separados por finas líneas oscuras. La parte central del gránulo es más brillante porque el gas asciende y está más caliente, desciende por la periferia más fría. En el siglo XIX Richard Christopher Carrington fue el primero en observar la granulación fotosférica y en 1896 el francés Pierre Jules César Janssen el primero que consiguió fotografiar dicha granulación.
Los movimientos turbulentos de gas ionizado producen corrientes que provocan la aparición de un potente campo magnético. La rotación solar provoca un enmarañamiento de las líneas del campo magnético y al cruzar la superficie provoca manchas solares. Estas pueden alcanzar cualquier tamaño desde un poro hasta 6 milésimas del disco solar, aunque lo normal es que alcance un diámetro de unos 12.000 km. Aparece oscura porque su temperatura es unos mil grados inferior. Está rodeada de una penumbra. Tienen una evolución desde su nacimiento a su muerte que suele ocurrir unos 15 días después, aunque se han detectado algunas que duran dos meses. En ese tiempo cambian de forma y tamaño y a la mitad del periodo, cuando están más desarrolladas, se presentan en grupos de dos con polaridad invertida. Ellas marcan la actividad solar que tiene un ciclo de 11 años. Tras el mínimo las manchas aparecen a altas latitudes y a medida que se alcanza el máximo van extendiéndose hacia el ecuador formando un gráfico que se conoce como diagrama de mariposa.
Las fáculas solares por el contrario son zonas brillantes que se forman por las concentraciones de líneas de campo magnético. Pueden existir en periodos de mínimo cuando no hay manchas. Suelen aparecer hacia los bordes del Sol. La razón es que allí son más fácilmente detectables debido a un fenómeno llamado oscurecimiento hacia el limbo. Este se debe a que la luz que se ve en el centro, procede en la mayor parte de las capas inferiores de la fotosfera, más caliente y por tanto más luminosa. Al mirar hacia el limbo, vemos la radiación procedente sobre todo de las capas superiores de la fotosfera, menos calientes y emitiendo con menor intensidad que las capas profundas en la base de la fotosfera.

Los problemas para aprovechar la precisión de Espresso

a) La granulación

El ruido estelar se debe a las manchas, fáculas, granulación estelar etc. y pueden fácilmente enmascarar la señal de un planeta como la Tierra. Estos fenómenos alterar la forma de las líneas espectrales estelares, desplazar las líneas o introducir cambios espúreos en la velocidad, cambios que pueden enmascarar o imitar las señales de un planeta. El giro de la Tierra en torno a nuestro Sol crea un bamboleo Doppler de la línea espectral de 9 cm/s. El ruido astrofísico puede ser mucho mayor.

Fig. 1 La mancha oscura ha creado la protuberancia en el perfil de la línea observada.


Mis intereses se encuentran en estrellas tipo solar magnéticamente 'tranquilas', ya que estos son las estrellas ideales para la confirmación y la potencial habitabilidad del planeta, ya que faltan las manchas y las llamaradas. Me centro en magnetoconvection, es decir, la granulación de la superficie estelar. El ruido granular se origina a partir de las asimetrías en el absorción estelar de la producción de brillante burbujas de calor (gránulos) que se elevan de la superficie, enfrían y caen en carriles intergranulares (mostrado en la fig. 2). Estos flujos de plasma inducen desplazamientos Doppler de km/s aunque debido al gran número de gránulos la media es de cm/s. Las observaciones solares sugieren que los gránulos tienden a aparecer y desaparecer en los mismos lugares.
Estoy estudiando la magnetoconvection de la superficie estelar (como una fuente de ruido astrofísico) a través del uso de sofisticadas simulaciones magnetohidrodinámicas 3d (mhd), junto con un transporte radiativo de 1d. Estas simulaciones aparecen en su página en sendos videos JWPlayer7. Hasta ahora, hemos encontrado varias líneas características inducidas por los cambios de la velocidad que están correlacionados con la granulación. Los resultados actuales indican que puede ser posible una reducción significativa del ruido de granulación (hasta 50%) (Cegla et al., 2015).
Estoy trabajando para responder a dos preguntas clave críticas para la ciencia exoplanetaria: en primer lugar, ¿cómo separar la firma de la granulación del bamboleo Doppler de los planetas para permitir la confirmación de mundos habitable como la Tierra? En segundo lugar, ¿cuál es el impacto de granulación en el efecto RM y mediciones posteriores del ángulo entre el polo estelar y el polo de la órbita? (le llamaremos oblicuidad de la estrella a este ángulo).


Fig. 2 Granulación de la superficie estelar

b) Desplazamiento convectivo al azul (CB)

En marzo de 2011, Avi Shporer y Tim Brown presentaron un artículo titulado The impact of the convective blueshift effect onspectroscopic planetary transits que trata de la pequeña señal anómala de la velocidad radial (VR) que se espera que esté presente en las curvas de VR medidos durante los tránsitos planetarios. Esta señal es inducida por el efecto convectivo al azul (CB) un cambio neto al azul que emana de la superficie estelar, como resultado de una mayor contribución en la convección de la estrella del gas caliente y brillante ascendente en relación con el gas que se hunde más frío y más oscuro. Dado que el componente radial CB varía a lo largo de la superficie estelar, la luz bloqueada por el planeta durante un tránsito tendrá una componente VR variable, lo que dará como resultado un pequeño desplazamiento de la VR medida. La curva de RV anómala inducida por CB es diferente e independiente del bien conocido efecto Rossiter-McLaughlin (RM) (ver apartado anterior enlace ), donde este último se utiliza para determinar el ángulo proyectado en el plano celeste entre el eje de rotación de la estrella huésped y el polo orbital del planeta. La curva VR observada es la suma de las señales CB y RM, y ambas están superpuestas en la curva orbital de kepleriana causada por la atracción del planeta sobre la estrella. La fig. 3 refleja la importancia de los tres efectos. Intentamos medir el bamboleo orbital de la estrella pero este es pequeño para planetas pequeños como la Tierra. Cuando el planeta transita hay un efecto RM superpuesto que puede ser del orden de 20 m/s. Además alterando ligeramente el efecto RM está el efecto CB del orden de 1 ó 2 m/s. Si no se tiene en cuenta, la presencia de la señal CB, el efecto RM en la curva VR de tránsito espectroscópica puede sesgar la estimación del ángulo espín-órbita. Además, las futuras VR de muy alta precisión permitirán el uso de planetas en tránsito para estudiar el CB de sus estrellas anfitrionas.


Fig.3 Arriba: la curva RV inducida por CB durante el tránsito (azul), mientras que las señales de RM y de la órbita kepleriana de la estrella son ignoradas. Medio: la curva CB RV (azul) y la curva RM RV (verde) y su suma (negro), mientras se ignora la señal de la órbita kepleriana. Abajo: similar al panel del medio, con la órbita Kepleriana RV añadida a las tres curvas. Todos los paneles muestran RV en m/s vs. fase orbital a partir del tiempo de tránsito medio.

En 2016 H. M. Cegla, et. al. publican un artículo titulado Modelling theRossiter-McLaughlin Effect: Impact of the Convective Centre-to-Limb Variationsin the Stellar Photosphere donde dicen que las observaciones del efecto Rossiter-McLaughlin (RM) cuando el planeta transita proporcionan información sobre las alineaciones estrella-planeta, que pueden informar la migración planetaria y las teorías de la evolución. Modelan un júpiter caliente (M=1Mj, R=1Rj) en una estrella igual que el Sol. Fijan el periodo en 4 días y la e=0. La inclinación de la estrella 90º. Es decir la órbita del planeta alineada con la rotación de la estrella. Hacen variar la rotación estelar de modo que vsen i varie de 1-10 km/s. Esto significa que la estrella gira aproximadamente en periodos que varían de 5 a 50 días. El parámetro de impacto del tránsito inicialmente b=0 luego varia a 0,25 y 0,5. En este trabajo Cegla et. al. van más allá del modelado clásico de RM y exploran el impacto de un desplazamiento convectivo al azul que varía a través del disco estelar. Inyectan variaciones de velocidad del centro al limbo (forma de perfil) basadas en simulaciones magnetohidrodinámicas tridimensionales de convección de la superficie solar. Los residuos entre nuestro modelado y el modelado del RM clásico dependían de v sen i (es decir de la rotación de la estrella) y del ancho del perfil de la línea. La amplitud de los residuos aumentó al aumentar v sen i, es decir con el aumento de la rotación estelar y disminuir el ancho del perfil de la línea. Para estrellas que giran lentamente la variación convectiva del centro al limbo dominó los residuos (con amplitudes de 10s de cm/s a ​​~1 m/s); sin embargo, para las estrellas que giran más rápidas, la firma residual dominante se debía a un perfil intrínseco no gaussiano (con amplitudes de 0,5-9 m/s). Cuando el factor de impacto fue 0, no tener en cuenta la variación convectiva del centro al limbo condujo a una incertidumbre en la oblicuidad de ~10º-20º, aunque se conocía el verdadero vsen i. Además, olvidar modelar correctamente un perfil intrínseco asimétrico tuvo un mayor impacto para las estrellas que giraban más rápidamente (por ejemplo, v sen i = 6 km/s), y causó errores sistemáticos del orden de ~20º en las oblicuidades medidas. Por lo tanto, olvidar el impacto de la convección de la superficie estelar puede sesgar las mediciones de alineación estrella-planeta y, en consecuencia, también las teorías sobre la migración y la evolución planetarias.

Fig. 4. Principal: las medidas VR de un tránsito basadas en simulaciones magnetohidrodinámicas tridimensionales de convección de la superficie solar, para una estrella no giratoria (con perfiles de línea gaussianos FWHM =5 km/s). Recuadro: Esquema del tránsito del planeta a través del disco estelar, codificado por color mediante el registro de las velocidades convectivas netas relativas al centro del disco.

Si las velocidades de la superficie estelar observadas sólo se deben a la rotación, una estrella no giratoria no tendrá ninguna anomalía VR durante el tránsito planetario y, por lo tanto, la forma de la onda RM será una línea plana en velocidad cero. Sin embargo, en presencia de variaciones de CB de centro al limbo, las anomalías de VR seguirán siendo evidentes. Para investigar la naturaleza de tal señal, inyectamos perfiles de líneas gaussianas con un FWHM de 5 km/s; este ancho se eligió porque es similar al perfil de línea 6302,5 Å del Fe I y, por lo tanto, representa un FWHM realista dado el CB inyectado. Las medidas RV para este conjunto de observaciones se muestran en la Figura 4 (junto con un esquema del tránsito planetario, codificado por colores por las velocidades convectivas netas relativas al centro del disco). Los desplazamientos hacia el azul cerca del ingreso y la salida se deben a que el planeta oscurece los desplazamientos al rojo más altos (relativos al centro del disco) y los desplazamientos al rojo cerca de la mitad del tránsito donde el planeta oscurece más regiones azules del disco estelar. Por lo aunque no haya rotación estelar la variación local en CB contribuye a la anomalía RV observada durante el tránsito y conduce a una forma de onda RM distinta de cero. La forma exacta y la amplitud de esta forma de onda dependerán de la relación planeta-estrella y las propiedades convectivas de la estrella. También es importante tener en cuenta que la inclusión de la variación CB en el limbo estelar provoca una asimetría en los perfiles de línea integrados en el disco.
En la Conferencia Exoplanets 2 celebrada en Cambridge, Heather Cegla ve necesario considerar el efecto CB para así aprender más acerca de la estrella con el efecto RM (Rossiter-McLaughlin). Con la nueva era de máquinas de VR precisas, por ejemplo, Espresso y Expres, vamos a tener que descontar todos estos efectos para poder llegar a la precisión requerida para detectar planetas como la Tierra.

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