Espectroscopia Doppler

La espectroscopia Doppler (también conocida como método de velocidad radial , o coloquialmente, método de oscilación ) es un método indirecto para encontrar planetas extrasolares y enanas marrones a partir de mediciones de velocidad radial mediante la observación de cambios Doppler en el espectro de la estrella madre del planeta . .

Se descubrieron 880 planetas extrasolares (aproximadamente el 21,0% del total) mediante espectroscopia Doppler, hasta febrero de 2020. [1]

Otto Struve propuso en 1952 el uso de espectrógrafos potentes para detectar planetas distantes. Describió cómo un planeta muy grande, tan grande como Júpiter , por ejemplo, haría que su estrella madre se tambaleara ligeramente cuando los dos objetos orbitan alrededor de su centro de masa. [2] Él predijo que los pequeños cambios Doppler a la luz emitida por la estrella, causados ​​por su velocidad radial que varía continuamente, serían detectables por los espectrógrafos más sensibles como pequeños desplazamientos al rojo y al azul en la emisión de la estrella. Sin embargo, la tecnología de la época producía mediciones de velocidad radial con errores de 1.000  m / so más, lo que las hacía inútiles para la detección de planetas en órbita.[3] Los cambios esperados en la velocidad radial son muy pequeños: Júpiter hace que el Sol cambie la velocidad en aproximadamente 12,4 m / s durante un período de 12 años, y el efecto de la Tierra es de solo 0,1 m / s durante un período de 1 año. por lo quese requierenobservaciones a largo plazo con instrumentos de muy alta resolución . [3] [4]

Los avances en la tecnología de los espectrómetros y las técnicas de observación en las décadas de 1980 y 1990 produjeron instrumentos capaces de detectar el primero de muchos planetas extrasolares nuevos. El espectrógrafo ELODIE , instalado en el Observatorio de Haute-Provence en el sur de Francia en 1993, podría medir cambios de velocidad radial tan bajos como 7 m / s, lo suficientemente bajos como para que un observador extraterrestre detecte la influencia de Júpiter en el Sol. [5] Con este instrumento, los astrónomos Michel Mayor y Didier Queloz identificaron 51 Pegasi b , un " Júpiter caliente " en la constelación de Pegaso. [6] Aunque previamente se habían detectado planetas orbitando púlsares, 51 Pegasi b fue el primer planeta encontrado orbitando una estrella de secuencia principal y el primero detectado mediante espectroscopía Doppler.

En noviembre de 1995, los científicos publicaron sus hallazgos en la revista Nature ; desde entonces, el artículo ha sido citado más de 1.000 veces. Desde esa fecha, se han identificado más de 700 candidatos a exoplanetas, y la mayoría han sido detectados por programas de búsqueda Doppler basados ​​en los Observatorios Keck , Lick y Anglo-Australian (respectivamente, las búsquedas de planetas de California, Carnegie y Anglo-Australian), y los equipos basado en la Búsqueda de Planetas Extrasolares de Ginebra . [7]

A principios de la década de 2000, una segunda generación de espectrógrafos de búsqueda de planetas permitió mediciones mucho más precisas. El espectrógrafo HARPS , instalado en el Observatorio La Silla en Chile en 2003, puede identificar cambios de velocidad radial tan pequeños como 0.3 m / s, suficiente para localizar muchos planetas rocosos similares a la Tierra. [8] Se espera que una tercera generación de espectrógrafos entre en línea en 2017. Con errores de medición estimados por debajo de 0.1 m / s, estos nuevos instrumentos permitirían a un observador extraterrestre detectar incluso la Tierra. [9]

Diagrama que muestra cómo un objeto más pequeño (como un planeta extrasolar ) que orbita un objeto más grande (como una estrella ) podría producir cambios en la posición y velocidad de este último a medida que orbitan su centro de masa común (cruz roja).
La espectroscopia Doppler detecta cambios periódicos en la velocidad radial al registrar variaciones en el color de la luz de la estrella anfitriona. Cuando una estrella se mueve hacia la Tierra, su espectro se desplaza al azul, mientras que se desplaza al rojo cuando se aleja de nosotros. Al analizar estos cambios espectrales, los astrónomos pueden deducir la influencia gravitacional de los planetas extrasolares.
Exoplanetas descubiertos por año (a partir de febrero de 2014). Los descubiertos usando velocidad radial se muestran en negro, mientras que todos los demás métodos están en gris claro.
Propiedades (masa y semieje mayor) de planetas descubiertos hasta 2013 usando velocidad radial, comparados (gris claro) con planetas descubiertos usando otros métodos.
Izquierda: representación de una estrella en órbita alrededor de un planeta. Todo el movimiento de la estrella se realiza a lo largo de la línea de visión del espectador; La espectroscopia Doppler dará un valor real de la masa del planeta.
Derecha : en este caso, ninguno de los movimientos de la estrella se realiza a lo largo de la línea de visión del espectador y el método de espectroscopia Doppler no detectará el planeta en absoluto.