Caracterización de atmósferas de exoplanetas a través de tránsitos

Resumen

En los últimos 20 años, el estudio de exoplanetas ha experimentado grandes avances. El primer planeta extra-solar orbitando una estrella de secuencia principal fue \linebreak descubierto en 1995. Este logro inauguró una era donde el número de exoplanetas conocidos aumentó constantemente en los años siguientes, gracias a las búsquedas dedicadas a encontrar estos objetos. Actualmente existen más de 1000 exoplanetas conocidos y se espera que este número crezca aún más en el futuro. Al mismo tiempo que nuevos descubrimientos eran anunciados, la comunidad empezó a trabajar en la caracterización de estos objetos. La caracterización de exoplanetas aporta información acerca la dinámica de sistemas planetarios y ofrece una buena oportunidad para estudiar una gran variedad de distintos tipos de planetas que no se encuentran en nuestro sistema solar. Un aspecto importante en la investigación de exoplanetas es el estudio de atmósferas. Una poderosa técnica que permite la detección y caracterización de atmósferas de exoplanetas es el estudio de tránsitos planetarios. Un tránsito planetario es provocado por el paso del planeta delante del disco estelar. Estudiando tránsitos en differentes longitudes de onda podemos inferir la presencia de componentes atmosféricos y proveer información para modelos de formación y química de exoplanetas. El objetivo principal de este trabajo es estudiar planetas que transitan su estrella usando diferentes instrumentos disponibles en el Observatorio del Teide en \linebreak Tenerife y Observatorio del Roque de Los Muchachos en La Palma. Este proyecto está estructurado en dos líneas de investigación. La primera es someter a prueba el uso de fotometría de filtro ancho de alta velocidad con un instrumento de lucky imaging llamado Wide FastCam, instalado en el Telescopio Carlos Sánchez (TCS) (1.5 m). Observaciones de tránsitos con una alta cadencia temporal es un área que no ha sido explorada totalmente por la comunidad de investigadores. Como demostramos en esta tesis, esta técnica tiene el potencial de convertirse en una nueva herramienta para lograr mejores precisiones tanto en sensitividad fotométrica como en precisión temporal. Wide FastCam se encuentra en la etapa final de diseño e instalación y se espera que esté operativa en el TCS en Enero 2014, donde se convertirá en un nuevo instrumento de uso común. La segunda línea de investigación de esta tesis era explotar las capacidades del Gran Telescopio Canarias (10 m) para detectar y caracterizar la atmósfera de exoplanetas. GTC es uno de los telescopios ópticos más grandes que se encuentran operativos y, al comienzo de esta tesis, este telescopio estaba recién inaugurado y no había sido usado para estudiar planetas extra-solares. Para explorar el rendimiento de su instrumento OSIRIS, decidimos usar GTC en todos sus modos disponibles: imagen de filtros anchos y angostos y espectroscopía de rendija larga. Los objetivos de nuestras observaciones fueron Júpiteres calientes, super-Tierras y planetas que se están desintegrando. En la introducción presentamos un breve resumen de la historia del estudio de exoplanetas, los métodos de detección usados para encontrar tales objetos, describimos los sistemas de clasificación de exoplanetas basados en sus propiedades atmosféricas y finalmente discutimos el estado actual de las ciencias planetarias enfocadas en la investigación de exoplanetas. Dado que este trabajo se enfoca principalmente en planetas que transitan, el Capítulo 2 describe los parámetros físicos que pueden obtenerse de la aplicación de esta técnica. Se le da mayor énfasis a los resultados obtenidos por otros grupos, usando tránsitos para estudiar las atmósferas de exoplanetas. También describimos el marco general de técnicas Bayesianas usadas para ajustar modelos de tránsitos a los datos adquiridos durante esta tesis. En el Capítulo 3, describimos las observaciones de tránsitos con detectores EMCCD que permiten la adquisición de imágenes a gran velocidad a diferencia de los CCD normales. El objetivo de esta parte del trabajo era probar los límites de la fotometría con gran cadencia temporal aplicada a tránsitos. Dado que estos detectores poseen tiempos de lectura despreciables, pueden presentar una mejor opción para estudiar eventos de corta duración con filtros anchos. Presentamos las curvas de luz de varios objetos observados durante diferentes campañas de observación y discutimos los resultados y estado actual del proyecto. En los Capíulos 4, 5 y 6, exploramos y comparamos los differentes resultados que se pueden obtener usando GTC en modo imagen y espectroscopía de rendija larga aplicada a planetas que transitan, con el fin de confirmar la existencia y caracterizar las atmósferas de exoplanetas. Usamos el instrumento de GTC OSIRIS en su modo imagen con filtros angostos sintonizables para observar un tránsito de la super-Tierra GJ 1214b en tres bandas: una centrada en la línea atómica Halpha y dos en el continuo cercano para detectar una posible variación en la profundidad del eclipse que podría indicar la presencia de una atmósfera rica en Hidrógeno en este planeta. Usando métodos Bayesianos, encontramos el mejor ajuste a las tres curvas de luz y analizamos los resultados. También en este capítulo discutimos el uso fotometría de filtros anchos para estudiar exoplanetas. Empleamos GTC OSIRIS en su modo de espectroscopía de rendija larga para obtener el espectro de transmisión del exoplaneta WASP-43b. Este fue el primer resultado realmente existoso de nuestro programa, describimos las observaciones, el proceso de reducción de datos y el ajuste de curvas de luz. Los métodos descritos aquí son empleados en posteriores observaciones de nuestro programa. Además, analizamos los datos del tiempo central del tránsito para investigar la posibilidad de que este objeto presente un decaimiento orbital y discutimos la dependencia de color de la curva de luz. Integrando el espectro estelar del objeto y su estrella de referencia, creamos varias curvas de luz en differentes regiones de longitud de onda para obtener el espectro de transmisión de WASP43b. Discutimos la forma del espectro de transmisión y la detección de elementos alcalinos como el Sodio. Usandos las técnicas presentadas en capítulos anteriores, el Capítulo 6 muestra los resultados actuales que estamos obteniendo con GTC OSIRIS en modo espectroscopía de rendija larga. En primer lugar, describimos las observaciones y análisis de datos del interesante objeto Kepler KIC 12557548b. Este objeto muestra tránsitos de profundidad variable que pueden ser provocados por material expulsado por el planeta. Luego, presentamos las curvas de luz de los planetas gigantes \linebreak HAT-P-32b, HAT-P-12b y WASP-48b. Para cada set de datos discutimos las observaciones, análisis de datos y resultados preliminares. Creemos que GTC ofrece una oportunidad única para caracterizar la atmósfera de exoplanetas desde tierra, y esperamos que se convierta en una herramienta esencial para este campo de investigación en la próxima década, hasta el lanzamiento de misiones espaciales dedicadas a espectroscopía de transmisión o el comienzo de las operaciones del E-ELT.