El exoplaneta Kepler-91: más allá

CAFE, el instrumento español instalado en el Observatorio Astronómico Hispano Alemán de Calar Alto, ha permitido confirmar la naturaleza planetaria del objeto que orbita alrededor de una estrella gigante roja denominada KIC 8219268. Denominado Kepler-91b, se convierte así en el primer exoplaneta confirmado utilizando instrumentación desarrollada en España, además de ser el primer planeta verificado más allá de toda duda que orbita alrededor de una estrella gigante.

 

Representación artística de la estrella gigante roja y del planeta, cuando éste se encuentra cruzando delante del disco de aquélla y produce la variación en el brillo (tránsito en la curva de luz). Créditos: D. Cabezas.

 

Hasta 1995 sólo se tenía evidencia de la existencia de los planetas del Sistema Solar. En aquel año, Michel Mayor y Didier Queloz, de la Universidad de Ginebra, descubrieron el primer exoplaneta orbitando alrededor de una estrella similar al Sol: 51 Peg b. Actualmente existen diversas vías para encontrar nuevos exoplanetas, casi todas indirectas y generalmente basadas en mejoras técnicas y en el desarrollo de nueva instrumentación. Sin embargo, hay dos métodos que destacan por el número de nuevos exoplanetas identificados: el de la velocidad radial y el de los tránsitos. En el primero, se mide el pequeño movimiento de la estrella debido al tirón gravitatorio del planeta en su giro. Esto se observa por el efecto Doppler en la luz que nos llega de la estrella. En el segundo, se observa el, casi insignificante pero mensurable, descenso en el brillo de la estrella cuando el planeta pasa por delante, algo parecido a lo que sucede en el Sistema Solar cuando Venus o Mercurio transitan proyectados por el disco solar.

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El satélite Kepler (lanzado por NASA en marzo de 2009) es uno de los proyectos dedicados a la búsqueda de exoplanetas con el objetivo último de encontrar planetas similares a la Tierra. Basándose en el método de los tránsitos, observa continuamente multitud de estrellas intentando identificar descensos en su brillo que sean periódicos. Uno de esos aparece en la estrella KIC 8219268 cuyas disminuciones en su luminosidad se repiten cada 6,24658 días, siendo una potencial candidata a albergar un planeta extrasolar. Este hecho le hizo ganarse el nombre de KOI-2133.01 (Objeto de Interés de Kepler, KOI por sus siglas en inglés). Analizando las precisas medidas proporcionadas por este telescopio espacial, un equipo internacional liderado por investigadores del Centro de Astrobiología (CAB, CSIC-INTA) detectó la presencia de un planeta con una masa ligeramente inferior a la masa de Júpiter orbitando muy cerca de su estrella central, a tan solo 2,32 veces el radio de la misma. Esto se consiguió analizando las modulaciones presentes en la curva de luz (es decir, en el la evolución temporal del brillo proveniente de la estrella) debidas a la deformación de la estrella por la presencia de un planeta cercano. Además, se analizó el pequeño eclipse producido por el planeta al pasar por delante de su estrella y las señales astrosismológicas debidas a la propia pulsación de la estrella, un fenómeno que también se observa en el Sol. Así, el candidato KOI-2133.01 pasó a recibir el nombre Kepler-91b, al ser confirmada su naturaleza planetaria.

 

Detalle de la curva de luz con los datos del observatorio Kepler (círculos rojos) y nuestra modelización (línea verde). La disminución periódica del brillo, muy sutil, indica la posible presencia de un planeta. Créditos: Los autores de la publicación.

 

Este trabajo permitió concluir que Kepler-91b podría encontrarse en los últimos estadios de su vida, antes de ser engullido por su estrella, siendo el planeta conocido más cercano a una estrella gigante roja. Con una órbita ligeramente elíptica, se calcula que la estrella central subtiende un ángulo de 48 grados en el cielo del planeta, cubriendo alrededor de un 10% del mismo (unas 10.000 veces más que la Luna o el Sol desde la Tierra). Además, la atmósfera del planeta parece estar inflada, probablemente debido a la alta radiación proveniente de su estrella.

Sin embargo, trabajos casi simultáneos rechazaron la naturaleza planetaria de Kepler-91b, basándose en análisis alternativos de la curva de luz y atribuyéndole una luminosidad intrínseca. Estos trabajos de dos grupos diferentes afirmaban que este sistema era, en realidad, el conjunto de una estrella aislada y una binaria eclipsante de fondo que podría estar o no físicamente asociada con la primera.

Curva de luz con los datos del observatorio Kepler (círculos rojos) y nuestra modelización (línea verde). La masa del planeta, entre otros parámetros, se puede derivar de estos datos. Créditos: Los autores de la publicación.

 

Para resolver esta dicotomía en la interpretación de los resultados derivados por los diferentes grupos de investigación, se decidió recurrir a la técnica de la velocidad radial. Así, se obtuvieron espectros de alta resolución con CAFE, el espectrógrafo de alta resolución del Observatorio de Calar Alto, casi inmediatamente después de ponerse en marcha. Los datos obtenidos con CAFE confirman, de manera independiente, la presencia de un planeta de una masa 1,09 veces la de Júpiter, un valor perfectamente compatible con la estimación previa mediante el análisis de las modulaciones de la curva de luz. Además, esta concordancia entre las dos técnicas permite validar el uso de las modulaciones en la curva de luz de la estrella como un método emergente de confirmación planetaria. El artículo que describe estos resultados, liderado por Jorge Lillo-Box y David Barrado, investigadores del Departamento de Astrofísica en el CAB, ha sido aceptado para su publicación en la revista Astronomy & Astrophysics Letters.

CAFE

CAFE (Calar Alto Fiber-fed Échelle spectrograph, por sus siglas en inglés), instalado en el telescopio de 2,2 m del Observatorio de Calar Alto, es el primer instrumento construido íntegramente en este observatorio hispano-alemán. Fue puesto en funcionamiento a finales de 2011. Su calidad instrumental y las estrictas y controladas condiciones atmosféricas bajo las que trabaja permiten utilizar la sofisticada técnica de la velocidad radial en la detección de exoplanetas. Ésta es la misma técnica que fue empleada para detectar el primer exoplaneta alrededor de una estrella como nuestro Sol en 1995. Desde entonces, este método se ha empleado para confirmar hasta la fecha un total de 573 planetas en 429 sistemas planetarios, convirtiéndolo en la principal técnica en la exploración exoplanetaria.

 

Gráfica con las velocidades radiales debidas al movimiento orbital del planeta Kepler-91b alrededor de la gigante roja. Las medidas han sito tomadas con el espectrógrafo CAFE en el telescopio de 2,2m del Observatorio de Calar Alto. La línea continua representa la solución de la órbita con los datos espectroscópicos, que también permite la estimación de la masa del planeta. El acuerdo entre los valores con los dos métodos es excelente y confirma la existencia del planeta de una manera completamente independiente. Créditos: Los autores de la publicación.

 

Colaboración internacional liderada desde España

Este trabajo está basado en observaciones llevadas a cabo por el Centro Astronómico Hispano-Alemán, en Calar Alto (Almería, España), operado conjuntamente por el Instituto Max Planck de Astronomía (Heidelberg) y el Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA-CSIC, Granada). Ha sido posible por el uso intensivo del espectrógrafo CAFE en el telescopio de 2,2 m, el primer instrumento desarrollado y construido por el Observatorio de Calar Alto, demostrando una vez más la necesidad de disponer de telescopios de tamaño medio e instrumentación de última generación en proyectos dedicados, que requieren un gran número de noches. El estudio se enmarca dentro de una colaboración internacional para la búsqueda y caracterización de planetas fuera del Sistema Solar liderada desde el Centro de Astrobiología (CSIC-INTA), en Madrid.

En este mismo campo, un consorcio hispano-alemán está construyendo un nuevo espectrógrafo de última generación (CARMENES) que trabajará en los rangos óptico e infrarrojo. Su principal objetivo es el de buscar planetas rocosos orbitando alrededor de estrellas frías. Se espera que tenga su primera luz hacia finales de 2015 y será instalado en el telescopio de 3,5 m del Observatorio de Calar Alto. Así pues, CAFE, en el telescopio de 2,2 m, se ha convertido en el trampolín de las técnicas y estrategias de observación que serán aplicadas en CARMENES, llenando los huecos mientras se termina su construcción y cubriendo, además, un nicho exclusivo en el complejo ecosistema exoplanetario.

 

Equipo científico

J. Lillo-Box (Departamento de Astrofísica, Centro de Astrobiología (CSIC-INTA), España); D. Barrado (Departamento de Astrofísica, Centro de Astrobiología (CSIC-INTA), España); T. Henning (Max Planck Institut für Astronomie, Alemania); L. Mancini (Max Planck Institut für Astronomie, Germany); C. Ciceri (Max Planck Institut für Astronomie, Alemania); P. Figueira (Instituto de Astronomia e Ciências do Espaço/Centro de Astrofísica, Universidade do Porto, Portugal);  N.C. Santos (Instituto de Astronomia e Ciências do Espaço/Centro de Astrofísica, Departamento de Física e Astronomia, Faculdade de Ciências, Universidade do Porto, Portugal); J. Aceituno (Centro Astronómico Hispano-Alemán, Calar Alto Observatory, España); y S. Sánchez (Instituto de Astronomía, Universidad Nacional Autónoma de México, México)

 

Jorge Lillo-Box y David Barrado

Centro de Astrobiología (INTA-CSIC)

 

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Comentarios

[...] muy interesantes, e invito a la relectura de los artículos de divulgación (como el caso del exótico planeta Kepler-91) o a las notas de prensa que en su momento [...]

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