25 años buscando exoplanetas en el observatorio Lick

La humanidad siempre sintió curiosidad sobre la posible existencia de planetas que orbitaran en torno a otras estrellas. Los avances tecnológicos de los últimos cincuenta años permitieron finalmente detectar los primeros exoplanetas, y actualmente se conocen cientos de ellos.

Con la observación en 1987 del primer espectro de la estrella Tau Ceti, el observatorio Lick inició su andadura en la caza de planetas extrasolares, programa que finalizó abruptamente en el año 2011 cuando un sobrecalentamiento dañó de manera irreversible la célula calibradora. Esta  célula de iodo se adiciona para la referencia espectral de velocidades radiales  y está ubicada en el espectrógrafo Hamilton, situado a su vez en el telescopio Shane, de tres metros de diámetro.

El observatorio Lick es un observatorio astronómico dependiente de la Universidad de California y situado en la cima del Monte Hamilton, a 1300 m de altitud y a pocos kilómetros de la ciudad de San José, California.

Telescopio Shane

Struve fue el primer astrónomo, en el año 1952, que propuso utilizar el método de la medición de las velocidades radiales estelares, para la búsqueda de exoplanetas. Inicialmente se propuso utilizar las líneas espectrales telúricas, procedentes de la atmósfera terrestre, como método de calibración. Sin embargo, en el año 1979, los astrónomos Walker y Campbell ingeniaron un aparato que les permitió superponer a las líneas espectrales de la estrella observada una fuente espectral de fluoruro de hidrógeno (HF), que se encontraba en forma de gas en una botella transparente alargada. Así, las líneas de absorción del HF quedaban superpuestas a las de la estrella, haciendo que siguieran el mismo camino que la luz de la estrella hasta el detector.

Este sistema se instaló en el telescopio CFHT, iniciándose así la primera búsqueda de planetas extrasolares, sobre una muestra de 16 estrellas y a lo largo de 6 años. Lograron una precisión de 10 m/s, que ya era suficiente para la detección de gigantes gaseosos como nuestro Júpiter, aunque la muestra no era lo suficientemente grande como para lograr detección alguna.

Las células de HF, sin embargo, tenían numerosos inconvenientes, como su toxicidad o el hecho de tener que usarse a temperaturas elevadas, de más de 100º C. Además, no cubrían algunas líneas espectrales estelares, que eran fundamentales para determinar el grado de actividad de la estrella y así mejorar la precisión de las medidas.

Para evitar estos problemas, los astrónomos Geoff Marcy y Paul Butler, junto con Steve Vogt, idearon el modificar la célula de referencia incluyendo gas de yodo, que era mucho más estable. Además, modelizaron totalmente las líneas espectrales y tuvieron especial cuidado en que la instrumentación tuviera la estabilidad necesaria, de manera que noche tras noche la repetibilidad del experimento estuviera garantizada.

Gracias a esta precisión alcanzada, de unos 10 m/s, pudieron confirmar de manera independiente el planeta entonces recientemente descubierto por el espectrógrafo HARPS, 51 Pegasi b. Con el paso de los años y la experiencia acumulada, lograron mejorar la precisión hasta los 3 m/s

El espectrógrafo Hamilton es un instrumento de alta resolución que cubre el rango entre los 3400 y 9000 angstroms, permitiendo resoluciones de  50.000 y 115.000, y está localizado en el foco coudé del telescopio Shane. Toda la luz de las estrellas y de las células de referencia finaliza en un detector CCD, que es el que registra los espectros. Diversos cambios en esta CCD permitieron también mejorar la precisión de las detecciones.

Espectro estelar

La muestra inicial de estrellas observadas consistía en 120 estrellas de tipo FGK y que estaban catalogadas como estrellas brillantes. Tras varios años de observaciones, las más débiles se pasaron al programa de observaciones del telescopio Keck y se añadieron otras 200 al programa del Lick. Finalmente, otras 60 estrellas de alta metalicidad se añadieron a la lista en 2001, motivado por la aparente correlación entre la presencia de planetas y la metalicidad, con lo que el programa terminó incluyendo las 387 estrellas ya mencionadas.

Muchos de los primeros planetas extrasolares fueron descubiertos o confirmados mediante el Observatorio Lick, entre los que puede destacarse la confirmación del planeta 51 Pegasi b; el primer planeta en una órbita excéntrica (70 Virginis); el sistema 47 UMa b, c, d; Tau Bootis b; el primer planeta que orbitaba en torno a una estrella binaria (16 Cygnus Bb); los sistemas múltiples de 55 Cancri y Upsilon Andromedae, entre otros muchos.

Diagrama con las velocidades radiales del planeta de Gliese 876

Durante estos 25 años, se probaron y desarrollaron nuevas técnicas, utilizando como base este u otros telescopios. Sin embargo, con la aparición del instrumento HARPS en 2003, quedó claro que para mejorar la precisión y lograr mediciones mejores a 1 m/s sería necesario construir un instrumento totalmente nuevo. Aprovechando finalmente el fallo en la célula calibradora, el Observatorio Lick decidió terminar su programa de exoplanetas en el telescopio Shane y trasladarlo al recientemente construido telescopio de 2.4 metros, empleando para ello el instrumento Automated Planet Finder.

La búsqueda continúa.

Imagen del telescopio APF

The Twenty-Five Year Lick Planet Search

http://arxiv.org/abs/1310.7315

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