Investigación espectropolarimétrica de exoplanetas de alto contraste

ESFERA (contenedor negro y cilindro plateado) acoplada al telescopio desde la plataforma adjunta

La investigación espectropolarimétrica de exoplanetas de alto contraste ( VLT-SPHERE ) es un sistema de óptica adaptativa y una instalación coronagráfica en el Very Large Telescope (VLT). ^[1] Proporciona imágenes directas, así como caracterización espectroscópica y polarimétrica de sistemas de exoplanetas . El instrumento funciona en el visible y en el infrarrojo cercano, logrando una calidad de imagen y un contraste exquisitos en un pequeño campo de visión alrededor de objetivos brillantes. ^[2]

Los resultados de SPHERE complementan los de otros proyectos de búsqueda de planetas, que incluyen HARPS , CoRoT y la Misión Kepler . ^[1] El instrumento se instaló en la Unidad de Telescopio "Melipal" (UT3) y alcanzó su primera luz en mayo de 2014. En el momento de la instalación, era el último de una serie de instrumentos VLT de segunda generación, como el X-shooter , KMOS y MUSE . ^[3]

Metas científicas

La estrella HR 7581 ( Iota Sgr ) fue observada en el modo de estudio SPHERE. Se descubrió una estrella de muy baja masa, más de 4000 veces más débil que su estrella madre, orbitando Iota Sgr a una pequeña separación de 0,24". La estrella brillante en sí ha sido suprimida casi por completo por SPHERE, para permitir que la débil compañera aparezca como un punto claro y brillante en la parte superior derecha del centro.

La obtención de imágenes directas de exoplanetas es extremadamente desafiante:

1. El contraste de brillo entre el planeta y su estrella anfitriona suele oscilar entre 10 ⁻⁶ para los planetas gigantes jóvenes y calientes que emiten cantidades significativas de luz infrarroja cercana, y 10 ⁻⁹ para los planetas rocosos vistos exclusivamente a través de luz reflejada.
2. La separación angular entre el planeta y su estrella anfitriona es muy pequeña. Para un planeta a ~10 AU de su anfitrión y a decenas de pársecs de distancia, la separación sería de sólo unas pocas décimas de arcosec. ^[4]

SPHERE es representativo de una segunda generación de instrumentos dedicados a la obtención de imágenes directas de alto contraste de exoplanetas. Estos instrumentos combinan óptica adaptativa extrema con coronógrafos de alta eficiencia para corregir la turbulencia atmosférica a alta cadencia y atenuar el resplandor de la estrella anfitriona. Además, SPHERE emplea imágenes diferenciales para explotar las diferencias entre la luz planetaria y estelar en términos de color o polarización. ^[5] Otros sistemas de imágenes de alto contraste que están operativos incluyen el Proyecto 1640 en el Observatorio Palomar y el Gemini Planet Imager en el Telescopio Gemini Sur . ^[4] El Gran Telescopio Binocular , equipado con un sistema de óptica adaptativa menos avanzado, ha fotografiado con éxito una variedad de planetas extrasolares. ^[6]

SPHERE tiene como objetivo la detección directa de planetas del tamaño de Júpiter y más grandes separados de sus estrellas anfitrionas por 5 AU o más. Detectar y caracterizar un gran número de estos planetas debería ofrecer información sobre la migración planetaria , el proceso hipotético por el cual los Júpiter calientes , cuya teoría indica que no se pueden haber formado tan cerca de sus estrellas anfitrionas como se encuentra, migran hacia el interior desde donde se formaron en el planeta protoplanetario . disco . ^[7] También se plantea la hipótesis de que los planetas distantes masivos deberían ser numerosos; Los resultados de SPHERE deberían aclarar hasta qué punto la preponderancia observada actualmente de Júpiter calientes en órbita cercana representa un sesgo de observación. Las observaciones de SPHERE se centrarán en los siguientes tipos de objetivos:

• asociaciones de estrellas jóvenes cercanas que también pueden ofrecer oportunidades para detectar planetas de baja masa;
• estrellas con planetas conocidos, en particular aquellas con residuos a largo plazo que aparecen en el análisis de regresión de sus curvas de velocidad radial y que podrían indicar la presencia de compañeras más distantes;
• las estrellas más cercanas, lo que permitiría detectar objetivos con las órbitas más pequeñas, incluidas aquellas que brillan únicamente por luz reflejada;
• estrellas con edades en el rango de 100 Myr a 1 Gyr. En estos sistemas jóvenes, incluso los planetas más pequeños seguirán estando calientes y irradiando copiosamente en el infrarrojo, lo que permitirá masas detectables más bajas.
• Las capacidades de alto contraste de SPHERE también deberían permitir su uso en el estudio de discos protoplanetarios, enanas marrones , estrellas masivas evolucionadas y, en menor medida, en investigaciones del Sistema Solar y objetivos extragalácticos. ^[8]

Los resultados de SPHERE complementan los de proyectos de detección que utilizan otros métodos de detección, como mediciones de velocidad radial y tránsitos fotométricos. Estos proyectos incluyen HARPS , CoRoT y la Misión Kepler . ^[8]

Descripción del instrumento

El instrumento SPHERE y diagrama de sus subsistemas

SPHERE está instalado en la Unidad de Telescopio 3 del VLT de ESO en el foco Nasmyth. Comprende los siguientes subsistemas:

• La Infraestructura y Camino Común (CPI) es el banco óptico principal. Recibe luz directa del telescopio y transmite haces estabilizados, corregidos con óptica adaptativa y filtrados por coronógrafo a los tres subinstrumentos. Uno de sus componentes principales es el sistema de óptica adaptativa SAXO que corrige la turbulencia atmosférica 1380 veces por segundo. ^[1]
• El espectrógrafo de campo integral ( IFS ) cubre un campo de visión de 1,73" x 1,73", traduciendo los datos espectrales en un cubo de datos tridimensional (x,y,λ).
• El espectrógrafo y generador de imágenes de infrarrojos de doble banda ( IRDIS ) tiene un campo de visión de 11" x 12,5" con una escala de píxeles de 12,25 mas (miliares de arco). IRDIS puede proporcionar imágenes clásicas. Alternativamente, se puede configurar para proporcionar imágenes simultáneas de doble banda utilizando dos filtros de paso de banda estrecho diferentes dirigidos a diferentes características espectrales, o se puede configurar para proporcionar imágenes simultáneas desde dos polarizadores cruzados. Cuando se opera en modo de espectroscopia de rendija larga (LSS), una rendija coronagráfica reemplaza la máscara del coronógrafo.
• El polarímetro de imágenes de Zurich (ZIMPOL) es un polarímetro de imágenes de alto contraste que funciona en longitudes de onda visual e infrarroja y es capaz de alcanzar una resolución <30 mas. También es capaz de obtener imágenes clásicas limitadas por difracción. ^[9]

Resultados científicos

Esta imagen infrarroja muestra el anillo de polvo alrededor de la cercana estrella HR 4796A en la constelación austral de Centauro. Fue uno de los primeros producidos por el instrumento SPHERE poco después de su instalación en el Very Large Telescope de ESO en mayo de 2014. Muestra no solo el anillo en sí con gran claridad, sino que también revela el poder de SPHERE para reducir el resplandor desde el mismísimo estrella brillante: la clave para encontrar y estudiar exoplanetas en el futuro.

Los primeros resultados han validado el poder del instrumento SPHERE, además de presentar resultados que desafían la teoría existente.

• SPHERE anunció su primer planeta, HD 131399Ab, en 2016, pero otro estudio demostró que en realidad se trataba de una estrella de fondo. ^[10] Finalmente, en julio de 2017, el consorcio SPHERE anunció la detección de un planeta, HIP 65426 b , alrededor de HIP 65426. ^{[11] [12]} El planeta parece tener una atmósfera muy polvorienta llena de espesas nubes, y orbita una estrella joven y caliente que gira sorprendentemente rápido.
• SPHERE se utilizó para buscar una enana marrón que se esperaba que orbitara alrededor del binario eclipsante V471 Tauri . Mediciones cuidadosas de los tiempos de los eclipses habían demostrado que no eran regulares, pero estas irregularidades podrían explicarse asumiendo que había una enana marrón perturbando las órbitas de las estrellas. Sorprendentemente, aunque SPHERE debería haber podido resolver fácilmente la hipotética enana marrón, no se obtuvo ninguna imagen de dicha enana marrón. Parecería que la explicación convencional para el extraño comportamiento del V471 Tauri es errónea. Se han propuesto varias explicaciones alternativas para las variaciones en el tiempo orbital, incluida, por ejemplo, la posibilidad de que los efectos se deban a variaciones del campo magnético en el miembro primario del par binario que resultan en cambios regulares en la forma de la estrella a través del mecanismo Applegate. . ^{[13] [14]}
• Otro resultado temprano de SPHERE es la primera imagen del disco protoplanetario espiral en HD 100453. ^[15] El patrón espiral global es un fenómeno raro en los discos circunestelares que probablemente es causado por la atracción gravitacional de un cuerpo masivo que orbita alrededor de la estrella, como otro estrella o un planeta gigante. Este disco es el primero en el que se obtienen imágenes del perturbador compañero, lo que proporciona una prueba para las teorías de generación de brazos en espiral. Las imágenes también revelan una brecha que se extiende desde el borde de la máscara coronagráfica hasta aproximadamente la distancia de la órbita de Urano en nuestro propio sistema solar.
• SPHERE se utilizó para capturar la primera imagen confirmada de un planeta recién nacido en una publicación de junio de 2018. El joven planeta, PDS 70b, fue visto formándose en el disco protoplanetario alrededor de la estrella PDS 70 . ^[dieciséis]
• En julio de 2020, SPHERE tomó imágenes directas de dos gigantes gaseosos en órbita alrededor de la estrella TYC 8998-760-1 . ^[17]

Mejoras de rendimiento

Se han propuesto varios proyectos para mejorar el rendimiento del instrumento SPHERE:

• HiRISE ^[18] (Imágenes de alta resolución y espectroscopía de exoplanetas) ya está implementado como instrumento para visitantes desde julio de 2023. ^[19] Combina SPHERE con el espectrógrafo de alta resolución CRIRES actualizado, utilizando fibras ópticas , para mejorar la caracterización de exoplanetas. detectado por ESFERA.
• El proyecto SPHERE+ ^[20] tiene como objetivo actualizar el sistema de óptica adaptativa SAXO de SPHERE y ofrecer un IFS de resolución media. Los principales objetivos científicos son la detección de planetas gigantes jóvenes a una distancia más cercana de estrellas brillantes y alrededor de estrellas más débiles y su caracterización espectral más detallada. Este proyecto se encuentra actualmente en desarrollo activo con un estudio de diseño en curso.
• Un concepto más exploratorio propuesto en 2017 fue la combinación de SPHERE con el espectrógrafo ESPRESSO en el visible para intentar la detección del planeta Proxima Cen b en luz reflejada. ^[21] Este concepto se ha abandonado en favor de un instrumento dedicado llamado RISTRETTO que se instalará como instrumento visitante en el VLT.

Referencias

1. Beuzit, J. -L .; Vigán, A.; Mouillet, D.; Dohlen, K.; Gratton, R.; et al. (2019). "ESFERA: el generador de imágenes de exoplanetas para el Very Large Telescope". Astronomía y Astrofísica . 631 : A155. arXiv : 1902.04080 . Código Bib : 2019A&A...631A.155B. doi :10.1051/0004-6361/201935251.
2. "Descripción general de ESFERA". Observatorio Europeo Austral . Consultado el 23 de mayo de 2015 .
3. "Primera luz del generador de imágenes de exoplanetas SPHERE". ESO . 4 de junio de 2014.
4. Mesa, D.; Gratton, R.; Zurlo, A.; Vigán, A.; Claudio, RU; Alberí, M.; Antichi, J.; Baruffolo, A.; Beuzit, J.-L.; Boccaletti, A.; Bonnefoy, M.; Costilla, A.; Desidera, S.; Dohlen, K.; Fantinel, D.; Feldt, M.; Fusco, T.; Giró, E.; Henning, T.; Kasper, M.; Langlois, M.; Maire, A.-L.; Martínez, P.; Moeller-Nilsson, O.; Mouillet, D.; Moutou, C.; Pavlova.; Puget, P.; Salasnich, B.; et al. (2015). "Rendimiento de la ESFERA del VLT Planet Finder". Astronomía y Astrofísica . 576 : A121. arXiv : 1503.02486 . Código Bib : 2015A&A...576A.121M. doi :10.1051/0004-6361/201423910. S2CID  44011290.
5. "Primera luz del generador de imágenes de exoplanetas SPHERE". Observatorio Europeo Austral . Consultado el 24 de mayo de 2015 .
6. Espósito, S.; Mesa, D.; Skemer, A.; Arcidiacono, C.; Claudio, RU; Desidera, S.; Gratton, R.; Mannucci, F.; Marzari, F.; Masciadri, E.; Cerca, L.; Hinz, P.; Kulesa, C.; McCarthy, D.; Hombres, J.; Agapito, G.; Argomedo, J.; Boutsia, K.; Briguglio, R.; Brusa, G.; Busoni, L.; Cresci, G.; Fini, L.; Fontana, A.; Guerra, JC; colina, JM; Molinero, D.; París, D.; Pinna, E.; et al. (2012). "Observaciones LBT del sistema planetario HR 8799". Astronomía y Astrofísica . 549 : A52. arXiv : 1203.2735 . Código Bib : 2013A&A...549A..52E. doi :10.1051/0004-6361/201219212. S2CID  118684277.
7. D'Angelo, G.; Lubow, SH (2008). "Evolución de los planetas migratorios sometidos a acumulación de gas". La revista astrofísica . 685 (1): 560–583. arXiv : 0806.1771 . Código Bib : 2008ApJ...685..560D. doi :10.1086/590904. S2CID  84978.
8. Beuzit, Jean-Luc; et al. "ESFERA: un instrumento 'buscador de planetas' para el VLT" (PDF) . Observatorio Europeo Austral . Consultado el 24 de mayo de 2015 .
9. "ESFERA - Descripción del instrumento". Observatorio Europeo Austral . Consultado el 24 de mayo de 2015 .
10. Nielsen, Eric L.; Rosa, Robert J. De; Rameau, Julien; Wang, Jason J.; Espósito, Thomas M.; Millar-Blanchaer, Maxwell A.; Marois, cristiano; Vigan, Arturo; Ammons, S. Mark (2017). "Evidencia de que el planeta HD 131399 Ab fotografiado directamente es una estrella de fondo". La Revista Astronómica . 154 (6): 218. arXiv : 1705.06851 . Código Bib : 2017AJ....154..218N. doi : 10.3847/1538-3881/aa8a69 . hdl : 10150/626174. ISSN  1538-3881. S2CID  55138870.
11. "ESO's SPHERE presenta su primer exoplaneta". www.eso.org . Consultado el 6 de diciembre de 2017 .
12. Chauvin, G.; Desidera, S.; Lagrange, A.-M.; Vigán, A.; Gratton, R.; Langlois, M.; Bonnefoy, M.; Beuzit, J.-L.; Feldt, M. (1 de septiembre de 2017). "Descubrimiento de un planeta gigante cálido y polvoriento alrededor de HIP 65426". Astronomía y Astrofísica . 605 : L9. arXiv : 1707.01413 . Código Bib : 2017A y A...605L...9C. doi :10.1051/0004-6361/201731152. ISSN  0004-6361. S2CID  102344893.
13. "El extraño caso del enano desaparecido". Observatorio Europeo Austral . Consultado el 24 de mayo de 2015 .
14. Hardy, A.; Schreiber, señor; Parsons, SG; Cáceres, C.; Retamales, G.; Wahhaj, Z.; Mawet, D.; Cánovas, H.; Cieza, L. (1 de febrero de 2015). "Los primeros resultados científicos de la esfera: refutar la enana marrón prevista alrededor de V471 Tau". Las cartas del diario astrofísico . 800 (2): L24. arXiv : 1502.05116 . Código Bib : 2015ApJ...800L..24H. doi :10.1088/2041-8205/800/2/L24. ISSN  0004-637X. S2CID  28294501.
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16. Observatorio Europeo Austral (2 de julio de 2018). "Primera imagen confirmada de un planeta recién nacido captada por el VLT de ESO: el espectro revela una atmósfera nublada". www.eso.org . Consultado el 6 de julio de 2018 .
17. "Los astrónomos obtienen imágenes directas de dos exoplanetas gigantes alrededor de una estrella joven similar al Sol | Astronomía | Sci-News.com". Últimas noticias científicas | Sci-News.com . Consultado el 25 de julio de 2020 .
18. Vigán, A.; El Morsi, M.; López, M.; et al. (2023). "Primera luz del VLT/HiRISE: espectroscopia de alta resolución de exoplanetas gigantes jóvenes". Astronomía y Astrofísica . en prensa. arXiv : 2309.12390 . Código Bib : 2023arXiv230912390V.
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20. Boccaletti, A.; Chauvin, G.; Mouillet, D.; et al. (2020). "ESFERA +: Imágenes de Júpiter jóvenes hasta la línea de nieve". arXiv : 2003.05714 [astro-ph.EP].
21. Lovis, C.; Snellen, I.; Mouillet, D.; et al. (2017). "Caracterización atmosférica de Proxima b acoplando el generador de imágenes de alto contraste SPHERE al espectrógrafo ESPRESSO". Astronomía y Astrofísica . 599 : A16. arXiv : 1609.03082 . Código Bib : 2017A&A...599A..16L. doi :10.1051/0004-6361/201629682.

enlaces externos

• SPHERE - Investigación espectropolarimétrica de exoplanetas de alto contraste

24°37′39″S 70°24′16″O / 24,6274°S 70,4044°W / -24,6274; -70.4044