¿Planeta o ruido?

Título: Proxima Centauri Reloaded: Unravelling the stellar noise in radial velocities
Authores: M. Damasso & F. Del Sordo
Institución del primer autor: INAF Osservatorio Astrofisico di Torino
Estado: Publicado en Astronomy & Astrophysics, Open Access
Astrobites original: Planet or noise?

Recientemente, en agosto de 2016, se anunció que un planeta había sido descubierto en una órbita alrededor de la estrella más cerca al Sol, Proxima Centauri, la cual se encuentra alrededor de 4 años luz de distancia de la Tierra. Este planeta, Proxima b (“El vecino más cercano a la Tierra”), es imposible de detectar directamente con la tecnología actual, pero sabemos que esta ahí porque hace “tambalear” a su estrella. Ya que tanto el planeta como la estrella orbitan alrededor de su centro de masa común, la velocidad radial (a lo largo de la línea de visión) de la estrella cambia periódicamente. Generalmente, los planetas de alta masa que se encuentran próximos a estrellas de baja masa son más fáciles de detectar. La Tierra, por ejemplo, sólo causaría un cambio pequeño de a lo más 9 cm/s en la velocidad radial (VR) del Sol si fuera observado desde lejos, pero la configuración del sistema Proxima resulta en un cambio tan grande como 1 m/s (ver Figura 1). Este efecto es medible utilizando un espectrógrafo estable y de alta resolución para monitorear el efecto Doppler en el espectro de la estrella.

Figura 1: Curva de velocidad radial de Proxima Centauri, mostrando el mejor ajuste para el período orbital de Proxima b (corregido por el ruido correlacionado; ver el texto para más detalles). Los diferentes símbolos coloreados muestran diferentes sub-conjuntos de los datos, mientras que los símbolos grises indican valores promedio. Las líneas rojas sólida y punteada muestran los modelos orbitales excéntricos y circulares, respectivamente, que mejor se ajustan a los datos. (Figura 3 del artículo original).

Sin embargo, aún es un desafío cerciorarse que la señal medida no es falsa, sino que causada por el planeta. Por ejemplo, la variabilidad y actividad magnética de una estrella enana roja como Proxima Centauri podría afectar su espectro, causando cambios aparentes en su velocidad radial, lo cual podría ser confundido como una señal del planeta.

Los autores del artículo de hoy pretenden confirmar la detección de (candidato a planeta) Proxima b, usando los mismos datos de velocidad radial que los autores del descubrimiento original, pero utilizando un enfoque distinto en el análisis de los datos: Ellos intentan explicar la actividad estelar mediante un modelamiento directo del efecto de una región activa en la curva de velocidad radial, utilizando lo que se conoce como Procesos Gaussianos.

Los procesos Gaussianos son una herramienta probabilística muy poderosa (aunque computacionalmente cara) para modelar datos “ruidosos”, cuando se espera que una componente del ruido esté, de alguna manera, correlacionada desde una medición a la siguiente. Además de los términos que describen el ruido instrumental, un modelo adecuado para el ruido correlacionado en las curvas de velocidad radial debe incluir al menos dos términos más. Primero, un término que decaiga, pues se esperaría que una región activa de la superficie de la estrella tuviera un tiempo de vida limitado o que cambiara en el tiempo. Segundo, un término periódico, porque una región podría desaparecer de vista debido a la rotación de la estrella, y volver a aparecer nueva mente, una y otra vez. Finalmente, es necesario introducir cuatro parámetros extra para poder describir el ruido correctamente. Estos parámetros pueden ser inferidos de los datos, junto con el resto de los parámetros del modelo, siendo los más importantes los parámetros orbitales del planeta y su masa.

Al ajustar un modelo de un solo planeta a la curva de velocidad radial, en combinación con este tipo de modelo para el ruido, los autores efectivamente encuentran una periodicidad de 90 días del componente correlacionado del ruido, que corresponde al período de rotación de Proxima Centauri (ver Figura 2), lo cual concuerda con mediciones anteriores basadas en un monitoreo a largo plazo de la curva de luz de la estrella. De esta manera, es razonable asumir que cualquier periodicidad debe estar relacionada con la rotación de la estrella, con el fin de poder constreñir los otros parámetros del modelo con mayor precisión. Más aún, la escala de tiempo de decaimiento del ruido inferido sugiere que las regiones activas de la estrella tienen un tiempo de vida típico de aproximadamente un año.

Figura 2: La velocidad radial de Proxima Centauri a lo largo de diferentes intervalos de tiempo. (puntos negros), después de sustraer la señal de Proxima b usando el modelo orbital que mejor se ajusta a los datos, considerando el ruido correlacionado causado por la actividad estelar (línea azul con bandas de error). Notar que BJD significa Día Juliano Baricéntrico, por sus siglas en inglés. (Figura 5 del artículo original).

El modelo que mejor se ajusta a lo datos de Proxima b es consistente con la órbita reportada en el paper del descubrimiento, como se esperaba. La órbita del planeta tiene un período de aproximadamente 11 días, y es casi circular. Su masa mínima, la cual también puede ser inferida de la curva de velocidad radial, es 1.2 veces la de la Tierra. Esto significa que Proxima b es potencialmente un planeta con una masa similar a la Tierra en la zona habitable de Proxima Centauri (donde podría existir agua líquida en su superficie), lo que lo hace un objetivo muy interesante en la búsqueda de vida extraterrestre.

Los autores también ajustan un modelo de dos planetas a la curva de velocidad radial, pero no encuentran evidencia convincente de la existencia de un segundo planeta. Aún así, pudieron confirmar sólidamente la detección de Proxima b en las mediciones de velocidad radial, y aprendieron algo acerca de la actividad de Proxima b en el proceso. También demostraron que es esencial considerar distintos modelos de ruido para verificar que la detección de un planeta es confiable, y para motivar mejoras en los métodos de análisis de datos… porque al fin de cuentas, el ruido sí importa.