NEID: El nuevo cazador de planetas potencialmente habitables

Hasta la fecha, los astrónomos han descubierto alrededor de 5.000 planetas extrasolares confirmados, o "exoplanetas" para abreviar, mundos que orbitan estrellas distintas a nuestro Sol. Los planetas grandes y masivos, o los planetas calientes que orbitan cerca de su estrella, son los más fáciles de encontrar. Descubrir mundos más pequeños, que orbitan en la zona habitable y a una distancia mayor de la estrella, es un gran desafío.

El telescopio WIYN de 3,5 metros, hogar del instrumento NEID, en el Observatorio Nacional Kitt Peak

Credit: KPNO/NOIRLab/NSF/AURA/B. Tafreshi.

NEID no es el único nuevo dispositivo de búsqueda de exoplanetas agregado a los telescopios de NOIRLab. En 2021, el espectrómetro MAROON-X instalado en el telescopio Gemini Norte en Maunakea, Hawái, realizó su primer descubrimiento científico al realizar mediciones de velocidad radial para determinar que la masa del planeta rocoso recién descubierto, Gliese 486b, es tres veces mayor que la de La Tierra: una 'supertierra'. A diferencia de NEID, que observa las estrellas más cercanas y brillantes, MAROON-X busca planetas alrededor de tenues estrellas enanas rojas.

Misiones espaciales como el Telescopio Espacial Kepler de la NASA y el Satélite de Sondeo de Exoplanetas en Tránsito (TESS) descubren planetas observando sus tránsitos cuando cruzan frente a su estrella anfitriona, bloqueando un pequeño porcentaje de la luz de esa estrella. La cantidad de luz bloqueada depende del tamaño del planeta en tránsito, por lo que los tránsitos pueden indicar a los astrónomos el diámetro de los exoplanetas, pero no nos dice nada sobre la masa de este planeta. Conocer la masa de un exoplaneta es crucial, porque una vez que se conocen la masa y el diámetro, es un cálculo simple calcular la densidad promedio de un exoplaneta y, por lo tanto, si está hecho de gas, líquido/hielo o roca sólida.

Por eso se necesitan instrumentos como NEID, que es el nuevo cazador de planetas de NOIRLab instalado en el telescopio WIYN de 3,5 metros. Pronunciado NOO-id, lleva el nombre de la palabra Tohono O'odham para "observar". NEID "observa" las estrellas "tambaleándose" al medir la velocidad radial de la luz de una estrella, es decir, el cambio Doppler de la luz de la estrella a medida que se tambalea hacia y desde nosotros.

El espectrógrafo NEID, en construcción en la Universidad de Penn State.

Credit: Equipo NEID/NOIRLab/NSF/AURA.

¿Por qué se tambalea una estrella? Si está orbitada por un exoplaneta, entonces la gravedad del exoplaneta tirará de la estrella. Por lo tanto, la estrella y el planeta orbitan alrededor de su centro de masa común. Debido a que la masa de la estrella es tan grande comparada con la del planeta, este centro de masa se encuentra dentro de la estrella, pero no en el centro exacto. Entonces la estrella parece tambalearse alrededor de este centro de masa. Cuanto más masivo es el planeta, más lejos del centro de la estrella está el centro de masa. El bamboleo no es enorme: una estrella orbitada por un planeta del tamaño de Júpiter podría bambolearse a una velocidad de unas pocas decenas de km/h, mientras que un planeta del tamaño de la Tierra en la zona habitable podría hacer que una estrella se bambolee solo 0,4 km/h.

Si bien el objetivo final es poder detectar un planeta parecido a la Tierra alrededor de una estrella similar al Sol, todavía no lo hemos alcanzado.

Así que ahí es donde entra en juego NEID, que está financiado conjuntamente por la NASA y el Programa de exploración de exoplanetas de la Fundación Nacional de Ciencias. "Podemos decir con certeza que NEID abrirá nuevos caminos e impulsará los esfuerzos espaciales y terrestres", dice Jayadev Rajagopal, astrónomo de NOIRLab.

El espectro de luz de la estrella 51 Pegasi, observado durante la primera luz del instrumento NEID. Se puede ver el espectro cambiando de rojo a azul a medida que la estrella se tambalea hacia y desde nosotros, influenciada por su planeta en órbita.

Credit: Guðmundur Kári Stefánsson/Universidad de Princeton/Penn State/NOIRLab/NSF/KPNO/AURA.

NEID está diseñado para detectar nominalmente velocidades radiales tan bajas como 1 km/h. Durante las pruebas, NEID sorprendió alcanzando una precisión ligeramente mejor que esta, ya que los investigadores ajustaron el instrumento para intentar acercarse cada vez más a la meta de 0,4 km/h. Sin embargo, hay un problema que primero debe superarse si se quiere lograr este objetivo.

“Si bien el objetivo final es poder detectar un planeta parecido a la Tierra alrededor de una estrella similar al Sol, todavía no lo hemos alcanzado”, dice Sarah Logsdon, científica asistente de NEID en NOIRLab en Tucson, Arizona. Esto se debe a que la actividad en las estrellas, que hace que su brillo fluctúe y que se expulsen enormes nubes de plasma en eyecciones de masa coronal, puede crear una señal de velocidad radial que opaca la de un planeta pequeño. Para distinguir la señal de tal mundo, primero se debe corregir esa actividad estelar.

El adaptador de puerto NEID, a través del cual las fibras ópticas sobre las que se entrenan las estrellas objetivo se alimentan al espectrógrafo.

Credit: NOIRLab/NSF/KPNO/AURA.

“Es por eso que tener el telescopio solar NEID es tan valioso”, dice Logsdon.

El telescopio solar es solo un instrumento comercial con una apertura de 75 mm, financiado por la Fundación Heising-Simons y ubicado en lo alto del techo del edificio WIYN en Kitt Peak. Las fibras ópticas alimentan el visualizador a través del espectrógrafo NEID, lo que permite a los astrónomos calcular una línea base de actividad, que luego se puede aplicar a otras estrellas similares al Sol. Restar la línea de base estelar de las mediciones de velocidad radial debería dejar solo la señal producida por un planeta.

“El telescopio solar de NEID nos ayudará a proporcionar un tesoro de datos sobre la variabilidad estelar, ayudándonos a caracterizar más completamente las propiedades de las estrellas anfitrionas que orbitan los exoplanetas”, dice Logsdon. “Esperamos que se produzcan descubrimientos en un futuro muy cercano”.

El telescopio solar NEID en el techo del edificio del telescopio WIYN.

Credit: KPNO/NOIRLab/NSF/AURA.

El desarrollo del proyecto NEID comenzó en 2016; vio la luz por primera vez en 2020 y comenzó operaciones científicas en la segunda mitad de 2021. Parte de su cometido es dar seguimiento a los descubrimientos de tránsito realizados por las misiones Kepler, K2 y TESS, pero también realizará sus propias búsquedas de exoplanetas, ya que no se verá el tránsito de todos los planetas en un sistema estelar, y es posible que solo sean detectables por la forma en que su gravedad tira de su estrella anfitriona.

Un proyecto emocionante es NEID Earth Twin Survey (Búsqueda de Gemelos Terrestres), que, durante un período de 5 años, observará algunas de las estrellas más cercanas y brillantes, en busca de posibles señales de velocidad radial de planetas del tamaño de la Tierra en la zona habitable de su estrella. Muchas de estas estrellas serán las mismas que TESS observará y, al unísono, TESS y NEID proporcionarán un estudio exoplanetario completo de los vecinos más cercanos del Sol.

NEID viene en dos partes (tres si incluye el telescopio solar). Uno es el adaptador de puerto, que está montado en el telescopio WIYN de 3,5 metros y permite la orientación y el seguimiento preciso de una estrella que se está observando. La precisión es tan grande que la estrella se puede colocar en una fibra óptica específica que alimenta el espectrógrafo NEID, que se mantiene en una cámara de vacío a temperatura ambiente. Esta cámara es muy estable térmicamente: la temperatura permanece constante a un nivel de una milésima de grado Celsius, lo cual es importante para evitar fluctuaciones que podrían interferir con las sensibles mediciones de velocidad radial.

Los astrónomos se amontonan alrededor de una computadora para observar los primeros datos de luz provenientes del instrumento NEID.

Credit: KPNO/NOIRLab/NSF/AURA/S. Ridgway.

“De arriba a abajo, NEID está diseñado para la precisión”, dice Rajagopal. “Desde maximizar la cantidad de luz que llega al detector NEID hasta mantener el espectrógrafo a una temperatura constante, ningún detalle es demasiado pequeño”.

El telescopio WIYN fue elegido para albergar a NEID en parte porque su espejo de 3,5 metros se adapta bien a los requisitos de NEID en cuanto a brillo estelar e intensidad de la señal. “Pero lo más importante es que NOIRLab y WIYN cuentan con una infraestructura exitosa y madura para asociaciones federales/universitarias que permiten el acceso abierto y la ciencia de alto impacto”, dice Rajagopal.

Parte de su cometido es hacer un seguimiento de los descubrimientos de tránsito realizados por las misiones Kepler, K2 y TESS, pero también realizará sus propias búsquedas de exoplanetas.

Entonces, tal vez, gracias a esas asociaciones y las mediciones de alta precisión de NEID, los astrónomos pronto descubrirán una gran cantidad de exoplanetas potencialmente habitables con la masa de la Tierra que luego podrían ser seguidos por instalaciones como el Telescopio Espacial James Webb de la NASA, para determinar si realmente tienen lo necesario para ser.