Investigación de exoplanetas mediante espectropolarimetría de alto contraste

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

El instrumento Spectro-Polarimetric High-contrast Exoplanet Research ( VLT-SPHERE ) es un sistema de óptica adaptativa y una instalación coronográfica en el Very Large Telescope (VLT). ^[1] Proporciona imágenes directas, así como caracterización espectroscópica y polarimétrica de sistemas de exoplanetas . El instrumento opera en el espectro visible e 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, entre los que se incluyen HARPS , CoRoT y la misión Kepler . ^[1] El instrumento se instaló en el telescopio unitario "Melipal" (UT3) y alcanzó su primera luz en mayo de 2014. En el momento de su instalación, era el último de una serie de instrumentos VLT de segunda generación, como X-shooter , KMOS y MUSE . ^[3]

Objetivos científicos

La estrella HR 7581 ( Iota Sgr ) fue observada en el modo de sondeo SPHERE. Se trata de una estrella de muy baja masa, más de 4000 veces más débil que su estrella madre, que orbita alrededor de 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 brillante claro en la parte superior derecha del centro.

La obtención de imágenes directas de exoplanetas es extremadamente difícil:

1. El contraste de brillo entre el planeta y su estrella anfitriona suele oscilar entre 10 ⁻⁶ para planetas gigantes jóvenes y calientes que emiten cantidades significativas de luz infrarroja cercana, y 10 ⁻⁹ para 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 que se encuentre a unas 10 UA de su estrella anfitriona y a decenas de pársecs de distancia, la separación sería de apenas unas décimas de segundo de arco. ^[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 una 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 su color o polarización. ^[5] Otros sistemas de imágenes de alto contraste que están en funcionamiento 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 obtenido imágenes con éxito de una variedad de planetas extrasolares. ^[6]

SPHERE está orientado a la detección directa de planetas del tamaño de Júpiter y mayores separados de sus estrellas anfitrionas por 5 UA 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 , que la teoría indica que no se pueden haber formado tan cerca de sus estrellas anfitrionas como se encuentran, migran hacia el interior desde donde se formaron en el disco protoplanetario . ^[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 que orbitan cerca representa un sesgo observacional. Las observaciones de SPHERE se centrarán en los siguientes tipos de objetivos:

• asociaciones estelares jóvenes cercanas que también pueden ofrecer oportunidades para detectar planetas de baja masa;
• estrellas con planetas conocidos, en particular aquellas con residuos de largo plazo que aparecen en el análisis de regresión de sus curvas de velocidad radial y que podrían indicar la presencia de compañeros más distantes;
• las estrellas más cercanas, lo que permitiría detectar objetivos con órbitas más pequeñas, incluidas aquellas que brillan únicamente por luz reflejada;
• estrellas con edades que oscilan entre 100 millones y 1.000 millones de años. En estos sistemas jóvenes, incluso los planetas más pequeños seguirán siendo calientes y emitirán abundantes radiaciones en el infrarrojo, lo que permitirá detectar masas 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 los proyectos de detección que utilizan otros métodos de detección, como las mediciones de velocidad radial y los 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 el telescopio unitario 3 del VLT de ESO, en el foco Nasmyth. Está compuesto por los siguientes subsistemas:

• El Common Path and Infrastructure (CPI) es el banco óptico principal. Recibe luz directa del telescopio y transmite haces estabilizados, corregidos mediante 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 e imagen infrarrojo de doble banda ( IRDIS ) tiene un campo de visión de 11" x 12,5" con una escala de píxeles de 12,25 mas (milisegundos de arco). El 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 que apuntan a diferentes características espectrales, o se puede configurar para proporcionar imágenes simultáneas de dos polarizadores cruzados. Cuando se opera en modo de espectroscopia de rendija larga (LSS), una rendija coronográfica reemplaza la máscara del coronógrafo.
• El polarímetro de imágenes de Zurich (ZIMPOL) es un polarímetro de imágenes de alto contraste que opera en longitudes de onda visuales e infrarrojas, capaz de lograr una resolución de <30 mas. También es capaz de generar imágenes clásicas limitadas por difracción. ^[9]

Resultados científicos

Esta imagen infrarroja muestra el anillo de polvo que rodea a la estrella cercana HR 4796A, en la constelación austral de Centaurus. Fue una de las primeras imágenes obtenidas por el instrumento SPHERE poco después de su instalación en el Very Large Telescope de ESO en mayo de 2014. No solo muestra el anillo en sí con gran claridad, sino que también revela el poder de SPHERE para reducir el resplandor de la estrella muy brillante, lo que es 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 mostró que se trataba de hecho 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 nubes espesas, y orbita una estrella joven y caliente que gira sorprendentemente rápido.
• SPHERE se utilizó para buscar una enana marrón que se esperaba que estuviera orbitando el sistema binario eclipsante V471 Tauri . Mediciones cuidadosas de los tiempos de eclipse habían demostrado que no eran regulares, pero estas irregularidades podrían explicarse asumiendo que había una enana marrón que perturbaba las órbitas de las estrellas. Sorprendentemente, aunque la enana marrón hipotética debería haber sido fácilmente resoluble por SPHERE, no se obtuvo ninguna imagen de dicha compañera. Parecería que la explicación convencional para el extraño comportamiento de V471 Tauri es errónea. Se han propuesto varias explicaciones alternativas para las variaciones de tiempo orbital, incluida, por ejemplo, la posibilidad de que los efectos pudieran deberse 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 de 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 poco común en los discos circunestelares que probablemente es causado por la atracción gravitatoria de un cuerpo masivo que orbita alrededor de la estrella, como otra estrella o un planeta gigante. Este disco es el primero del que se ha obtenido una imagen del perturbador compañero, lo que proporciona una prueba para las teorías de generación de brazos espirales. Las imágenes también revelan un hueco que se extiende desde el borde de la máscara coronográfica 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 planeta joven, PDS 70b, fue visto formándose en el disco protoplanetario alrededor de la estrella PDS 70. [ ^16]
• En julio de 2020, SPHERE capturó 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] (High-Resolution Imaging and Spectroscopy of Exoplanets) ya está implementado como instrumento visitante desde julio de 2023. ^[19] Combina SPHERE con el espectrógrafo de alta resolución CRIRES mejorado, utilizando fibras ópticas , para mejorar la caracterización de los exoplanetas detectados por SPHERE.
• El proyecto SPHERE+ ^[20] tiene como objetivo mejorar el sistema de óptica adaptativa SAXO de SPHERE y proporcionar un sistema de observación de imágenes de resolución media. Los principales objetivos científicos son la detección de planetas gigantes jóvenes más alejados de estrellas brillantes y alrededor de estrellas más débiles, así como su caracterización espectral más detallada. Este proyecto se encuentra actualmente en desarrollo activo y se está llevando a cabo un estudio de diseño.
• 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 ha sido abandonado en favor de un instrumento dedicado llamado RISTRETTO que se instalará como instrumento visitante en el VLT.

Referencias

1. Beuzit, J. -L.; Vigan, A.; Mouillet, D.; Dohlen, K.; Gratton, R.; et al. (2019). "SPHERE: el generador de imágenes de exoplanetas para el Very Large Telescope". Astronomía y Astrofísica . 631 : A155. arXiv : 1902.04080 . Código Bibliográfico :2019A&A...631A.155B. doi :10.1051/0004-6361/201935251.
2. "Descripción general de SPHERE". Observatorio Europeo Austral . Consultado el 23 de mayo de 2015 .
3. "Primera luz del captador 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.; Pavlov, A.; Puget, P.; Salasnich, B.; et al. (2015). "Rendimiento de la ESFERA del VLT Planet Finder". Astronomía y Astrofísica . 576 : A121. arXiv : 1503.02486 . Código Bibliográfico :2015A&A...576A.121M. doi :10.1051/0004-6361/201423910. S2CID  44011290.
5. "Primera luz del captador 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 Bibliográfico :2013A&A...549A..52E. doi :10.1051/0004-6361/201219212. S2CID  118684277.
7. D'Angelo, G.; Lubow, SH (2008). "Evolución de planetas migrantes sometidos a acreción de gas". The Astrophysical Journal . 685 (1): 560–583. arXiv : 0806.1771 . Código Bibliográfico :2008ApJ...685..560D. doi :10.1086/590904. S2CID  84978.
8. Beuzit, Jean-Luc; et al. "SPHERE: un instrumento 'buscador de planetas' para el VLT" (PDF) . Observatorio Europeo Austral . Consultado el 24 de mayo de 2015 .
9. "SPHERE - 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.; Esposito, Thomas M.; Millar-Blanchaer, Maxwell A.; Marois, Christian; Vigan, Arthur; Ammons, S. Mark (2017). "Evidencia de que el planeta HD 131399 Ab, captado directamente en la imagen, es una estrella de fondo". The Astronomical Journal . 154 (6): 218. arXiv : 1705.06851 . Bibcode :2017AJ....154..218N. doi : 10.3847/1538-3881/aa8a69 . hdl :10150/626174. ISSN  1538-3881. S2CID  55138870.
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Enlaces externos

• SPHERE - Investigación espectropolarimétrica de alto contraste sobre exoplanetas

24°37′39″S 70°24′16″O / 24.6274, -70.4044