Post on 06-Aug-2015
Métodos de Detección de Planetas Extrasolares
Pablo Cuartas RestrepoIng. Mecánico UdeA
MSc Astronomía UNALquarktas@gmail.com
Planetas & Enanas MarrónLos Planetas son objetos de baja masa (<0.013 Msol) incapaces de sostener procesos de fusión en sus núcleos.
Las Enanas Marrón son objetos intermedios entre planetas y estrellas:– Sostiene fusión de deuterio – No alacanzan a fusionar hidrógeno– Sustemperaturas centrales son
menores a 6·106 K (M<0.08 Msun)
Planetas y Enanas: – Irradian la mayor parte de su
energía por contracción gravitacional.
– Se enfrian a medida que envejecen
– En contraste con las estrellas, no existe una relación entre luminosidad y masa.
Discos Circumestelares
Las imágenes de alta resolución de estrellas cercanas y de regiones de formación de estrellas han revelado estructuras aplanadas de polvo (discos) alrededor de protoestrellas y estrellas jóvenes de secuencia principal.
En el caso de protoestrellas, este polvo se interpreta como un disco de acreción.
En estrellas maduras, como β Pictoris, el polvo se debe a las colisiones de cuerpos a su alrededor (cinturones de asteroides o de Kuiper).
Diámetro entre
50 y 100 UA.
Discos Planetarios Maduros
El Disco en beta Pictoris es deformado por la interacción gravitacional de planetas (Neptuno – Cinturón Kuiper).
Exoplanetas
Planetas que orbitan a otras estrellas“exoplanetas”
El planeta es opacado por la luminosidad de su estrella.
La Tierra es mil millones de veces más opaca que el Sol. En el infrarrojo, un planeta emite un millón de veces menos energía que una estrella de tipo solar.
Se puede usar el efecto de la gravedad.La estrella tira del planetaTercera ley de Newton: el planeta tira de la estrella con una fuerza igual y opuestaEl planeta es más ligero y se mueve másPero la estrella también se mueve…aunque menos.
ExoplanetasLos planetas encontrados son masivos.¿Por qué? Se necesitan planetas masivos para ver el cambio en el movimiento de la estrella.
Si no fueran masivos no los hubiéran encontrado.
Sorpresas:Tienen períodos de sólo días…una velocidad altísima.Están muy cerca de sus estrellas.Si se formó un planeta del tamaño de Júpiter muy cerca de la estrella, puede que evitara que se formara un planeta terrestre.
HD70642 : descubierto el 9 de julio del 2003
Exoplanetas: ImplicacionesTeoría de la nebulosa solar:Los planetas gigantes nacen lejos de su estrella…
Datos de exoplanetas: Los planetas gigantes se encuentran muy cerca de sus estrellas
La teoría es incorrecta…
Nuevas preguntas:
¿Qué es lo común…?¿Los planetas gigantes se forman cerca de su estrella?¿Algunos de estos planetas nacen lejos de su estrella y se acercan con el tiempo?
Los planetas son comunes, y eso podría ser una buena noticia para la búsqueda de vida en el Universo.
Encontrando
planetas
1. Si buscamos una observación directa es más adecuado utilizar telescopios infrarrojos que telescopios que trabajen en el rango visible del espectro.
2. Los métodos que han producido resultados se basan en las perturbaciones gravitatorias causadas por los planetas sobre las estrellas y en el tránsito del planeta por delante de la luz de la estrella.
Hot Jupiters• Llamados Pegasianos por
51 Pegasi, (Belerofonte).
• Orbitan a menos de 0,05
UA de sus estrellas.
• Están aproximadamente
ocho veces más cerca a su
estrella que Mercurio del
Sol.
Gigantes Oceánicos: Neptunos• Planetas de un par de
decenas de masas terrestres.
• Posibles oceános de agua bajo sus superficies
Gigantes Rocosos: S-Tierras
• Planetas rocosos con masas entre 1 y 10 masas terrestres.
• Se encuentran muy cerca de la estrella a la que orbitan. Un planeta con esa masa muy alejado hubiera perdido menos gas en su formación y habría dado lugar a un gigante gaseoso.
• Si Júpiter estuviera desnudo, sin gas, sería una Super-Tierra.
Gliese 876 d, la primera S.T.
• Dentro del catálogo de exoplanetas con más de 440
encontrados hasta la fecha, tan sólo un par de
decenas están en el rango de las Super-Tierras
Super-Tierras Observadas
Corot 7-b, el primer planeta rocoso comprobado, con radio medido.
Super Mercurios
• Enanos rocosos entre 1 y 10
masas de Mercurio.
• Hasta ahora ninguno
descubierto, pero los
modelos de interiores
planetarios predicen la
posibilidad de encontrarlos.
Megajovianos
• Al menos el 15% de los exoplanetas descubiertos alcanzan masas superiores a las 5 masas de Júpiter.
• A estos gigantes gaseosos se les conoce como Super-Jupiters
1515
El El RetoReto
• ¿ Cómo puede verse un cuerpo tan pequeño cerca de uno tan
brillante?
Planeta R~Rj, bp~10-9 b* , θ~1”
8”, 60 UA
10-4 b*
Sirio A y Sirio B
Principales
métodos
• Astrometría
• Efecto Doppler
• Tránsitos planetarios
• Observación directa
• Anomalías en el período
de púlsares
• Microlentes
AstrometríaSe basa en las perturbaciones gravitacionales causadas por los planetas
sobre su estrella.
Cualquier objeto con masa ejerce, según la ley de la gravitación, una fuerza
de atracción sobre otros cuerpos con masa.
Si no existen perturbaciones
sobre la estrella, ésta describirá
en el cielo una línea recta. Es
decir, el movimiento propio
observado será una línea recta.
Por el contrario, si existe algún
planeta que perturbe el
movimiento de la estrella, ésta
oscilará periódicamente alrededor
de una línea recta.
Velocidad radial,
Efecto Doppler
Por la tercera Ley de Newton:El planeta y la estrella se mueven Sus órbitas los llevan en torno al centro de masa común.
El período de la estrella es igual al del planeta.
El movimiento de la estrella es demasiado pequeño para ser detectado. Se mueve en pequeños círculos cerrados.Se percibe un cambio de velocidad.
2020•
La estrella también siente fuerza del planeta!!…
Centro de masa ≠ centro estrella
Velocidad ∼ f(masa, distancia)
El efecto Doppler en el espectro
de la estrella permite cuantificar
su velocidad radial.
Como los desplazamientos son
muy pequeños, los detectores
deben ser muy precisos. El
efecto depende de la masa y la
distancia a la estrella.
A partir de estas mediciones se
puede deducir la masa del
planeta, el período de traslación,
su distancia media a la estrella y
la excentricidad de la órbita.
Si las variaciones en la velocidad radial de
la estrella tienen forma sinusoidal, entonces
puede deducirse que la órbita del planeta
es circular.
Si la forma de la gráfica no es sinusoidal,
entonces la órbita no es circular. A partir de
la forma de la gráfica puede deducirse, por
tanto, la excentricidad de la órbita.
Cálculo de la Masa
Medición: período P y velocidad radial, v∗ sin i, equivale a la amplitud de la curva.
Es fácil si P es corto, vp es grande o M∗ es pequeña
pp v
vM=M *
*
Se basa en la observación de la
disminución del brillo de la estrella
cuando un cuerpo más oscuro (por
ejemplo, un planeta) pasa en frente,
visto desde la Tierra.
La disminución de brillo debe ser
periódica y coincide con el período de
traslación del planeta.
El tamaño del planeta. Un planeta
mayor «quita» más luz que uno
pequeño.
La velocidad del planeta. Mayor
velocidad orbital, menos tiempo durará
la disminución en el brillo de la
estrella.
No se observará nunca
una disminución en el
brillo de la estrella
Disminuye la
superficie de estrella
que podemos ver y
disminuye el brillo de
la estrella
Tránsitos Planetarios
Una vez conocida la masa del planeta y su radio, se
puede calcular su densidad.
Curva de luz correspondiente a un tránsito
planetario.
1. El brillo de la estrella es constante (no siempre!!!).
2. El planeta pasa por delante de la estrella, recibimos menos luz. Durante cierto
tiempo el brillo (su magnitud aparente), disminuye.
3. Mientras el planeta se encuentra por delante del disco estelar, el brillo permanece de
nuevo aproximadamente constante, hasta que el planeta llega de nuevo al limbo.
4. Después el brillo vuelve a aumentar paulatinamente hasta que finaliza el tránsito.
5. Entonces, el brillo se estabiliza de nuevo. Al final del tránsito, la estrella vuelve a
mostrar el mismo brillo que tenía antes de comenzar el tránsito del planeta.
1
2
3
4
5
Medición de luz
Fotometría: Medidas exactas en la variación de la luz proveniente de la estrella mientras un planeta atraviesa frente a la supeficie ⇒ Cálculo exacto de la Masa, determinación del tamaño.
Espectroscopía: Variación en las líneas de absorción en el espectro de la estrellas debido a los gases en la atmósfera del planeta. Se ha detectado agua en planetas extrasolares.
Observación de Tránsitos
Los tránsitos han permitido confirmar 28 exoplanetas. Muchos de ellos habían sido descubiertos por velocidad radial primero. Masas entre 1 MSat a más de 1 MJup.
La densidad de planetas extrasolares se han calculado ~ 1 g/cm3.Modelos de su interior son similares a nuestros gigantes gaseosos, aunque con diferencias…
Imágenes de exoplanetas
Detectar de forma directa la luz del planeta
Fomalhaut b
Imagen de HR8799, Nov. 2008 Keck
Imagen de 2M1207, Sep. 2004, ESO.
Observación Directa
Es muy difícil debido al poco brillo del planeta y al efecto cegador de la estrella.
El primer planeta extrasolar observado directamente a través de una imagen de infrarrojo orbita alrededor de la enana marrón 2M1207 en Centauro a 53 pc.
Tiene 5 masas de Júpiter
Distancia a la estrella: >55 AU
Periodo orbital: 2450 años
El espectro infrarrojo del planeta muestra la presencia de moléculas de agua en su atmósfera.
Fotografías…
La detección directa de planetas cercanos a estrellas se hace en el infrarrojo, donde el contraste del brillo estelar puede disminuirse hasta en un factor de 1000, comparado con el óptico.
Cuatro planetas alrededor de estrellas, un planeta solitario y muchas enanas marrón se han fotografiado.
CQ Lupi b: 140 pc, 103 UA.AB Pictoris b: 46 pc, 275 UA.
Pulsares con PlanetasEn 1992 Alexander Wolszczan, de Penn
State University observó anomalías en el
período del púlsar PSR 1257+12, a unos
980 años luz en Virgo . Propuso que había
dos o tres planetas girando alrededor del
púlsar.
El período de un púlsar es
extremadamente preciso, debido a los
tirones gravitatorios de los planetas, el
púlsar parecerá oscilar ligeramente, lo que
repercute en el período.
Permite detectar planetas del tamaño y
masa de la Tierra.
http://ciencia.nasa.gov/headlines/y2006/05apr_pulsarplanets.htm
La masa del Pulsar PSR 1257+12 es 0.3 Msun, y los tres planetas tienen masas de ~ 4 MT (los dos exteriores) y 0.02 MT (el interior).Se cree que se formaron del material expulsado por la Supernova que formó el Pulsar.El Pulsar PSR 1620-26 en el cúmulo M4 es un componente de un sistema binario con una enana blanca; el sistema es orbitado por un planeta.Tiene el tamaño de Júpiter y se formó alrededor de la estrella de tipo solar que teminó siendo enana blanca.
MicrolentesCuando la luz pasa por las
inmediaciones de un objeto
con masa, se desvía.
Se aprecia un desvío en la curva de luz debido a la
presencia de un cuerpo orbitando la estrella que
actúa como lente.
Las observaciones se iniciaron para descubrir
enanas marrones y otros objetos que puedan
constituir la materia oscura.
Sólo se detectarán planetas situados en la zona de
«microlente», que corresponde a distancias de 1 a
4 UA aproximadamente.
MicrolensingFotometría: incremento del brillo de un estrella distante debido al lensado gravitacional.
Pequeñas variaciones en el débil lensamiento se deben a la presencia de planetas.
Miles de estrellas han sido monitoreadas en las Nubes de Magallanes y el bulbo galáctico.
Es el mejor método para encontrar planetas con masas como la de la Tierra.
Se han detectado 10 planetas con Lentes Gravitacionales
Como Vamos Los planetas pequeños y distantes son muy difíciles de detectar (tipo Tierra).
Se han detectado planetas grandes en órbitas pequeñas.
Aun no se detectan planetas como el nuestro.
Planetas como Urano o Neptuno se han empezado a detectar.
El Problema de los Júpiter Calientes
¿Planetas Gigantes cerca a las estrellas?
Teoría: Los gigantes se forman a grandes distancias de las estrellas.
Se necesita de un modelo dinámico de migración: Vaciós en el disco de gas pueden conducir a los planetas a órbitas interiores, a medida que el disco es barrido por el Planeta.
Superficies calientes y atmósferas extensas (Problema)…
HD 209458bPlaneta detectado por velocidad radial en 1999 y luego observado por tránsito.
Semi-eje major 0.045 AU (circular)
Masa 0.69 ± 0.05 MJ
Radio 1.32 ± 0.05 RJ
Temperatura 1,130 ± 150 K
Atmósfera de H, C y O a su alrededor.
Los átomos pesados como C y O son soplados lejos del planeta por el arrastre hidrodinámico, creado por la evaporación de hidrógeno en la atmósfera.
FuturoLas misiones Corot y Kepler mejorarán la busqueda de tránsitos de planetas terrestres.
El interferómetro NASA SIM podrá detectar el bamboleo estelar debido a discos de gas o planetas gigantes distantes.
La Misión ESA Darwin: Búsqueda de espectros de planetas terrestres (ozono, oxigeno, agua).
• Estadísticas de Interés
– ∼ 10% estrellas exploradas planetas, 95% probabilidad
– +20% de planetas podrían estar en sistemas dobles
– Esquema de clasificación popular:
• Planetas “jovianos”, “Jovianos” Calientes, Planetas
Excentricos, Planetas livianos, Supertierras
– Todas las estrellas son “ricas” en metales
(Metalicidad > 40% Metalicidad solar)
– Número de planetas rocosos podrían superar por un
factor de 2 el de planetas gigantes
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¿Mundos Como el Nuestro?¿Mundos Como el Nuestro?
Corot-Exo 7b, La primera Super Tierra confirmada
a
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LosLos Otros Mundos Otros MundosGliese 581, El sistema planetario de los extraterrestres
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LosLos Otros Mundos Otros MundosHD 209458, “Osiris” - Evaporándose
51 Peg, “Belerofonte”, Nubes de silicio