Astrónomos de la UdeM encuentran una manera de medir los cambios de temperatura en una estrella con mayor precisión que nunca, un avance que promete ser particularmente útil para detectar y estudiar exoplanetas.
Étienne Artigau, astrofísico de la UdeM que lideró el desarrollo de una técnica innovadora que proporciona información precisa sobre las variaciones de temperatura de una estrella.
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Los astrónomos estudian las estrellas observando los diferentes colores de luz que emiten, colores que captan y analizan mediante espectroscopia. Ahora, un equipo dirigido por Étienne Artigau, de la Universidad de Montreal, ha desarrollado una técnica que utiliza el espectro de una estrella para representar gráficamente las variaciones de su temperatura con una precisión de décimas de grado Celsius, a lo largo de una serie de escalas de tiempo.
“Al rastrear la temperatura de una estrella, podemos aprender mucho sobre ella, como su período de rotación, su actividad estelar, su campo magnético”, explicó Artigau, astrofísico del Instituto Trottier de Investigación sobre Exoplanetas (IREx) de la UdeM. “Este conocimiento detallado también es esencial para encontrar y estudiar los planetas de una estrella”.
En un artículo que pronto se publicará en The Astronomical Journal, Artigau y su equipo demuestran la efectividad y versatilidad de la técnica utilizando observaciones de cuatro estrellas muy diferentes realizadas con el Telescopio Canadá-Francia-Hawái en Hawái y el telescopio de 3,6 m del Observatorio Europeo Austral (ESO) en La Silla, Chile.
Una mejor técnica para analizar espectros
Los científicos primero dirigieron su atención a los espectros estelares para mejorar la detección de exoplanetas utilizando la velocidad radial. Este método mide ligeras oscilaciones en una estrella generadas por la atracción gravitatoria de un planeta en órbita. Cuanto mayores sean las oscilaciones, más grande será el planeta.
Pero es difícil detectar oscilaciones muy pequeñas y, por lo tanto, planetas de baja masa. Para superar este problema, Artigau y su equipo desarrollaron una técnica que aprovecha el método de velocidad radial, que analiza el espectro completo de una estrella y no solo algunas porciones, como se hacía anteriormente con este método.
Esto permite detectar planetas tan pequeños como la Tierra orbitando alrededor de estrellas pequeñas. A Artigau se le ocurrió entonces la idea de utilizar una estrategia similar para detectar no sólo variaciones en las oscilaciones de una estrella, sino también en su temperatura.
Distinguir entre las estrellas y sus planetas
Las mediciones de temperatura son fundamentales en la búsqueda de exoplanetas, que en su mayoría se observan de forma indirecta siguiendo de cerca a su estrella. En los últimos años, los astrónomos se han enfrentado a un gran obstáculo: cómo distinguir entre los efectos observables de una estrella y sus planetas.
Este es un problema tanto en la búsqueda de exoplanetas utilizando velocidad radial como en el estudio de sus atmósferas mediante espectroscopia de tránsito.
“Es muy difícil confirmar la existencia de un exoplaneta o estudiar su atmósfera sin un conocimiento preciso de las propiedades de la estrella anfitriona y cómo varían con el tiempo”, explicó Charles Cadieux, candidato a doctorado en IREx que contribuyó al estudio.
“Esta nueva técnica nos proporciona una herramienta invaluable para garantizar que nuestro conocimiento de los exoplanetas sea sólido y para avanzar en nuestra caracterización de sus propiedades”.
Precisión inigualable
La temperatura superficial de una estrella es una propiedad básica en la que confían los astrónomos porque puede utilizarse para determinar la luminosidad y la composición química de la estrella. En el mejor de los casos, la temperatura exacta de una estrella puede conocerse con una precisión de unos 20 grados Celsius.
Sin embargo, la nueva técnica no mide temperaturas exactas, sino su variación a lo largo del tiempo, que puede determinar con notable precisión.
“No podemos determinar si una estrella está a 5.000 o 5.020 grados Celsius, pero podemos determinar si ha aumentado o disminuido en un grado, incluso en una fracción de grado: nadie ha hecho esto antes”, dijo Artigau.
“Es un desafío detectar cambios de temperatura tan minúsculos en el cuerpo humano, así que imaginemos cómo sería para una bola de gas con una temperatura de miles de kilómetros ubicada a decenas de años luz de distancia”.
Una visión sin precedentes de cuatro estrellas
Para demostrar que su técnica funciona, los investigadores utilizaron observaciones tomadas con el espectrógrafo SPIRou en el Telescopio Canadá-Francia-Hawái y el espectrógrafo HARPS en el telescopio de 3,6 m del ESO.
En los datos capturados por estos dos telescopios para cuatro pequeñas estrellas en el vecindario solar, el equipo pudo ver claramente la variación de temperatura, que atribuyeron a la rotación de la estrella o a eventos en su superficie o en el entorno circundante.
La nueva técnica permitió medir grandes variaciones de temperatura. En el caso de la estrella AU Microscopii, conocida por su alta actividad estelar, el equipo registró variaciones de casi 40 grados Celsius.
Con esta técnica, pudieron medir no sólo cambios muy rápidos de temperatura asociados a periodos de rotación cortos de unos pocos días, como los de AU Microscopii y Epsilon Eridani, sino también aquellos ocurridos durante periodos de tiempo mucho más largos, una hazaña difícil para los telescopios terrestres.
“Pudimos medir cambios de unos pocos grados o menos que ocurren durante períodos muy largos, como los asociados con la rotación de la estrella de Barnard, una estrella muy tranquila que tarda cinco meses en completar una rotación completa”, explicó Artigau. “Antes, habríamos tenido que usar el telescopio espacial Hubble para medir una variación tan sutil y lenta”.
La nueva técnica también ha permitido detectar cambios de temperatura muy sutiles en la superficie de las estrellas. Por ejemplo, el equipo detectó cambios de temperatura sutiles en la estrella HD 189733 coincidiendo con la órbita de su exoplaneta HD 189733 b, un planeta gigante “Júpiter caliente”.
Se abrieron nuevos horizontes
Los investigadores de la UdeM señalan que la técnica funciona no sólo con SPIRou y HARPS, sino con cualquier espectrógrafo que opere en el rango visible o infrarrojo.
La innovadora técnica será directamente aplicable a las observaciones del NIRPS, un espectrógrafo instalado el año pasado en el telescopio ESO en Chile. Según los investigadores, también sería posible utilizar esta técnica con instrumentos espaciales, como el telescopio espacial James Webb.
“La potencia y versatilidad de esta técnica significa que podemos explotar datos existentes de numerosos observatorios para detectar variaciones que antes eran demasiado pequeñas para ser percibidas, incluso en escalas de tiempo muy largas”, dijo Artigau.
“Esto abre nuevos horizontes en nuestro estudio de las estrellas, su actividad y sus planetas”.
Acerca de este estudio
El artículo “Medición de variaciones sub-Kelvin en la temperatura estelar con espectroscopia de alta resolución”, de Etienne Artigau, Charles Cadieux y otros, se publicará próximamente en The Astronomical Journal (versión de código abierto aquí). El equipo también incluyó a los investigadores Neil J. Cook y Romain Allart, el profesor René Doyon, la estudiante de maestría Laurie Dauplaise y la pasante Maya Cadieux, del Instituto Trottier de Investigación sobre Exoplanetas de la Universidad de Montreal, y siete coautores en Estados Unidos y Francia.
