El nuevo cazador de planetas del Observatorio Keck pone su ojo en el cielo

Más de 5.000 exoplanetas, o planetas que orbitan estrellas más allá de nuestro sol, han sido detectados en los últimos 30 años, y los descubrimientos de telescopios espaciales y terrestres continúan llegando. Los planetas vienen en muchos tamaños y composiciones e incluyen todo, desde fundido mundos de lava a planetas gigantes gaseosos más grandes que Júpiter. Sin embargo, la búsqueda de pequeños planetas similares a la Tierra, los más prometedores en la búsqueda de vida extraterrestre, se ha visto limitada debido a los minúsculos efectos que estos planetas tienen sobre sus estrellas anfitrionas.

Eso pronto cambiará a medida que el instrumento Keck Planet Finder (KPF) dirigido por Caltech en W.M. El Observatorio Keck en Hawái ahora está preparado y listo para buscar y caracterizar cientos y, en última instancia, miles de exoplanetas, incluidos los más pequeños que faltan. El instrumento, que utiliza el método de “bamboleo” o velocidad radial de búsqueda de planetas, logró la llamada primera luz el 9 de noviembre de 2022, lo que significa que capturó sus primeros datos del cielo, en este caso del planeta Júpiter. Si bien KPF observará estrellas de forma rutinaria, el equipo de KPF eligió celebrar las capacidades de búsqueda de planetas de KPF observando directamente a Júpiter en nuestro propio sistema solar.

“Ver el primer espectro astronómico de KPF fue una experiencia conmovedora”, dice Andrew Howard, investigador principal de KPF y profesor de astronomía en Caltech. “Estoy emocionado de usar el instrumento para estudiar la gran diversidad de exoplanetas y descifrar los misterios de cómo se formaron y evolucionaron hasta sus estados actuales”.

“El advenimiento de KPF marca un gran y emocionante paso adelante en nuestra capacidad de avanzar en la búsqueda para encontrar eventualmente planetas habitables similares a la Tierra alrededor de otras estrellas”, dice Hilton Lewis, director del Observatorio Keck. “Hemos estado esperando la llegada de KPF durante casi una década y estamos encantados de poder llevar nuestro ya exitoso programa de descubrimiento de exoplanetas al siguiente nivel”.

KPF detecta planetas al buscar los movimientos periódicos de sus estrellas anfitrionas causados ​​por los planetas mientras orbitan alrededor y “tiran” gravitacionalmente de las estrellas. Cuando las estrellas se mueven de un lado a otro, o se tambalean, su luz se desplaza de la misma manera que el sonido de una sirena cambia de frecuencia dependiendo de si el ruido se aleja o se acerca a ti, lo que se conoce como desplazamiento Doppler.

KPF detectará planetas buscando este bamboleo estelar en los espectros de las estrellas (un espectro muestra las diferentes frecuencias de luz de una estrella). Cuanto menos masivo es el planeta, menor es el bamboleo que se produce. La tecnología de punta del instrumento significa que puede detectar planetas tan pequeños como la Tierra, e incluso más pequeños en algunos casos. También puede detectar planetas de la masa de la Tierra en las zonas habitables de estrellas más pequeñas y más frías, aunque todavía no puede verlos en las zonas habitables de estrellas similares al Sol. Una zona habitable es la región alrededor de una estrella donde las temperaturas son adecuadas para el agua líquida, un ingrediente necesario para la vida tal como la conocemos.

“Las estrellas que son más frías que nuestro sol tienen zonas habitables que se encuentran más cerca de la estrella”, explica Howard. “Cualquier planeta similar a la Tierra en esta zona estaría acurrucado cerca de sus estrellas como si fuera una fogata. Continuaremos ajustando y refinando KPF para detectar oscilaciones aún más débiles, con el objetivo de tener eventualmente la sensibilidad para detectar planetas con la masa de la Tierra que orbitan estrellas como nuestro sol, los verdaderos análogos de la Tierra”.

Además de descubrir nuevos planetas, el instrumento determinará las composiciones de hasta miles de planetas conocidos y resolverá misterios sobre la sorprendente diversidad de sistemas planetarios identificados hasta ahora. KPF también descubrirá planetas cercanos que son candidatos ideales para futuros retratos de otros telescopios, como el Telescopio de Treinta Metros planeado, que podría tomar imágenes directas de planetas que orbitan junto a sus estrellas.

“KPF será mucho más preciso que nuestras herramientas actuales, lo que permitirá una ciencia más rica a través de mejores mediciones de las masas, órbitas y composiciones de los planetas más pequeños”, dice Howard. “También será más rápido, por lo que podremos medir las masas de los planetas en mucho menos tiempo que antes. Esto significa que podemos estudiar más planetas”.

Firme como una roca

La idea de KPF surgió por primera vez en 2014 cuando los astrónomos buscaban formas de mejorar los instrumentos de búsqueda de planetas que utilizan el método de velocidad radial. Estos instrumentos ya habían tenido un enorme éxito al descubrir cientos de exoplanetas, pero los científicos querían impulsar la tecnología para encontrar planetas cada vez más pequeños. Por ejemplo, el principal instrumento de búsqueda de planetas en el Observatorio Keck antes de KPF, conocido como espectrómetro Echelle de alta resolución (HIRES), puede detectar estrellas que se mueven hacia adelante y hacia atrás, o se tambalean, a una velocidad de 200 centímetros por segundo. KPF, una vez que esté completamente en funcionamiento para la primavera de 2023, debería poder

para detectar movimientos estelares de sólo 30 centímetros/segundo. Eso es significativamente más lento y se traduce en planetas más pequeños con un tirón más débil en sus estrellas anfitrionas.

“Estamos midiendo un movimiento que es más lento que un humano caminando. Y las estrellas están a años luz de distancia y son 100 veces más grandes que toda la Tierra”, dice Howard.

El proyecto comenzó en UC Berkeley, donde su diseñador fundador, Steve Gibson, comenzó a generar ideas para el instrumento con Howard y otros (Howard se mudó de Berkeley a la Universidad de Hawái y luego a Caltech en 2016; Gibson se convirtió en afiliado de Caltech en 2021). Una innovación clave que desarrollaron fue utilizar un tipo especial de material híbrido de cerámica y vidrio llamado Zerodur que se utiliza para la base del instrumento y los componentes ópticos principales, como los espejos. Fabricado por la empresa Schott AG, Zerodur se utiliza en la fabricación de semiconductores, así como en utensilios de cocina y espejos de telescopios, incluidos los del Observatorio Keck. El material de color ámbar es muy estable térmicamente; básicamente, si calienta o enfría el material, solo se expande o contrae ligeramente (tiene aproximadamente 10,000 veces menos movimiento térmico que el acero).

Esta estabilidad térmica es clave para KPF porque cualquier movimiento en el instrumento puede generar señales falsas que parecen ser cambios Doppler de las estrellas. Al reducir los movimientos térmicos, el equipo puede hacer que KPF sea aún más preciso.

“Este es el primer espectrómetro que integra Zerodur en su diseño”, dice Howard. “El material, que viene en losas gigantes, es frágil y difícil de trabajar, pero es lo que hace que KPF sea tan sensible a los planetas más pequeños”.

“La luz rebota entre los espejos dentro del instrumento”, explica Ryan Rubenzahl (MS ’21), un estudiante graduado de Caltech que trabaja en KPF en el grupo de Howard. “Si la base del espectrógrafo se expande, la distancia entre los espejos cambia y esto hace que la luz caiga en el lugar equivocado. Puede parecer que la luz estelar se ha desplazado por el efecto Doppler debido a los planetas en órbita, pero en realidad el instrumento en sí se ha desplazado”.

KPF también utiliza otras innovaciones para limitar las señales espurias. Por ejemplo, el equipo desarrolló cables de fibra óptica especializados con secciones transversales en forma de octágonos en lugar de círculos. La forma de octágono nivela el flujo de luz en los cables, lo que reduce la posibilidad de señales falsas que parecen cambios Doppler estelares. En el Observatorio Keck, los cables de fibra óptica transportan la luz desde el telescopio Keck I hasta el instrumento KPF, que se encuentra en un sótano debajo del observatorio.

“KPF fue diseñado desde cero para rastrear las huellas dactilares espectrales de las estrellas con una precisión superior a 1 parte por mil millones”, dice Sam Halverson, científico del instrumento KPF y astrónomo e ingeniero óptico en Jet Propulsion Laboratory (JPL), que se administra por Caltech para la NASA. “Esta escala de medición representa un desafío tecnológico significativo y requería que cada capa del sistema KPF, desde el espectrómetro totalmente Zerodur, hasta el sistema de suministro de fibra y el software de análisis de datos, se optimizara cuidadosamente para maximizar el rendimiento”.

Otro dispositivo que mejorará la comprensión de los científicos sobre las señales falsas se llama Solar Calibrator, o SoCal para abreviar. El pequeño dispositivo se encuentra en un recinto en el techo del Observatorio Keck y rastrea nuestro sol. Debido a que la turbulencia y las manchas solares de una estrella también pueden emitir señales de cambio Doppler anómalas, el equipo de KPF está rastreando el sol para comprender mejor el ruido y corregirlo en sus datos.

“El sol tiene respuestas”, dice Rubenzahl, cuya tesis doctoral se centrará en parte en SoCal. “Es la única estrella en el universo de la que conocemos cada uno de sus planetas en órbita, y sabemos dónde está cada mancha solar y qué hace el campo magnético del sol en todo momento. Entonces, si rastreamos el sol con KPF, podemos restar las señales del planeta y ver lo que queda para estudiar cómo las manchas solares y otras características del sol crean cambios Doppler falsos”.

Planetas en abundancia

Después de que KPF termine su fase de puesta en marcha en la primavera, estará listo para buscar planetas. Uno de los proyectos que más entusiasma a Howard es la búsqueda de los llamados planetas de período ultracorto. Estos son planetas rocosos del tamaño de la Tierra que giran alrededor de sus estrellas en menos de un día.

“Los planetas están quemados por sus estrellas”, dice Howard. “La investigación de estos planetas inusuales demostrará que KPF puede ver planetas más pequeños en la frontera científica. Este proyecto permitirá que KPF flexione sus músculos y muestre lo que puede hacer”.

A Howard y sus colegas también les gustaría buscar en los 50 más cercanos a la Tierra los planetas más pequeños que faltan. “Queremos hacer un censo de nuestras estrellas más cercanas y encontrar los planetas más pequeños que no hemos podido ver hasta ahora. Queremos saber los nombres, direcciones y características de los planetas vecinos de nuestra Tierra”.

Otros proyectos planificados de KPF incluyen un estudio de planetas ya descubiertos por el Telescopio Espacial Kepler de la NASA, que operó de 2009 a 2018. Kepler usó el método de tránsito de caza de planetas, en el cual pla

las redes se detectan cuando pasan frente a sus estrellas y bloquean la luz. Mientras que Kepler mide el tamaño real de los planetas, KPF sondea las masas de los planetas (cuanto más masivo es un planeta, mayor es la oscilación detectada). Al combinar los conjuntos de datos, los investigadores pueden aprender sobre las composiciones de alrededor de 1,000 planetas de Kepler.

KPF también será ideal para estudiar planetas con órbitas inusuales. “Estamos realmente interesados ​​en aprender sobre planetas con órbitas extrañas, como las que giran alrededor de los polos de la estrella en lugar del ecuador o incluso estrellas que tienen órbitas hacia atrás”, dice Rubenzahl.

Los investigadores dicen que el poder de KPF radica no solo en su tecnología avanzada, sino también en su sede en W.M. Observatorio Keck, cuyos telescopios gemelos en la cima de Maunakea se encuentran entre los más grandes del mundo con diámetros de 10 metros cada uno. El tamaño de los telescopios del Observatorio Keck permite a KPF estudiar estrellas más débiles y observarlas más rápidamente.

“Lograr la primera luz es una ocasión trascendental para las docenas de científicos, ingenieros y especialistas en software de KPF que han trabajado durante años para desarrollar un sistema de descubrimiento de exoplanetas completo y de vanguardia”, dice Halverson.

El diseño y la construcción de KPF han sido apoyados por la Fundación Nacional de Ciencias, la Fundación Heising-Simons, la Fundación W. M. Keck, la Fundación Simons; Fundación Mt. Cuba, JPL, donantes privados, Observatorio Keck; Caltech; Universidad de California; y la Universidad de Hawái.