Como encontrar exoplanetas e ouvir suas estrelas com o TESS

Título: A Hot Saturn Orbiting An Oscillating Late Subgiant Discovered by TESS

Autores: D. Huber, W. J. Chaplin, A. Chontos et al

Instituição do primeiro autor: Institute for Astronomy, University of Hawai‘i, EUA

Status: submetido ao AAS journals

A missão espacial TESS da NASA está atualmente buscando por novos exoplanetas no céu do hemisfério Sul. O objetivo principal da missão TESS é encontrar planetas menores que Netuno e com massa mensurável (mais especificamente, pelo menos cinquenta planetas desse tipo). Essa não é, contudo, a única ciência que se pode fazer com os dados do TESS. O artigo de hoje apresenta a descoberta de um novo exoplaneta que pôde ser caracterizado de forma bastante detalhada graças a uma análise asterosismológica realizada nos mesmos dados.

Conheça o TESS

O telescópio espacial TESS vai observar estrelas em todo o céu, estudando 26 faixas (13 no hemisfério Sul, e 13 no hemisfério Norte) por 27 dias cada. Para uma lista de estrelas de interesse definida previamente, os dados enviados pelo TESS consistem em uma medida de brilho a cada dois minutos (ou seja, com uma cadência de dois minutos). Esses dados são processados para produzir uma curva de luz, que é então analisada automaticamente para que sejam detectados sinais compatíveis com um trânsito planetário (uma diminuição no brilho detectado quando o planeta passa em frente a estrela). Essa análise automática identificou TOI-197.01 como um candidato a planeta (veja a Figura 1a).

É de fato um exoplaneta?

Os autores obtiveram uma imagem de alta resolução com o telescópio Keck para eliminar a possibilidade de estrelas companheiras afetando os dados obtidos e produzindo o sinal observado. Além disso, os autores realizaram uma intensa campanha de monitoramento espectroscópico, obtendo 111 espectros em cinco diferente instrumentos ao longo de sete semanas, permitindo que buscassem por deslocamento das linhas espectrais causado por efeito Doppler (já que estrela e planeta orbitam o centro de massa do sistema). A estimativa de massa obtida a partir dessas medidas confirmou que TOI-197.01 é um planeta.

Pulsações estelares

A fotometria obtida pelo TESS é útil não apenas para identificar exoplanetas: ela permite também observar variações periódicas intrínsecas à estrelas, como por exemplo as causadas por pulsações estelares. Asterosismologia, o estudo dessas pulsações, permite que astrônomos investiguem a estrutura interna das estrelas, que define quais são as frequências com que a estrela pulsa. Com isso se pode, por exemplo, estimar raio e densidade da estrela.

Depois de remover o sinal causado pelo trânsito planetário da curva de luz obtida pelo TESS (veja a Figura 1b), realiza-se uma transformada de Fourier, passando do domínio temporal (dias) para o de frequência (microHz), como se vê na Figura 1c. Modelando os diferentes sinais (pulsações, granulação e ruído), os autores obtiveram um espectro de potências suavizado que permitiu identificar uma frequência dominante em 430 microHz.

Figura 1: a curva de luz de TOI-197, obtida pelo TESS. a) Dados brutos mostrando dois trânsitos marcados pelos triângulos em cinza. b) Curva de luz após remoção de efeitos instrumentais e dos trânsitos. c) Espectro de potências da curva de luz mostrada no painel b. As linhas tracejadas em vermelho indicam efeitos de granulação ou ruído. A linha vermelha ajusta esses efeitos, bem como a pulsação. Figura 1 no artigo.

Convertendo a região onde a máxima potência é observada em amplitude, obtém-se o gráfico na figura 2. Comparando o padrão observado com outras 1500 estrelas observadas pela missão Kepler, os autores confirmaram que a estrela apresenta oscilação similares às do Sol. Além das frequências de pulsação em si, a diferença de valor entre as frequências de modos radiais pode fornecer informação sobre as propriedades da estrela. Esse valor é indicado em azul na Fig. 2.

Figura 2: a) espectro de potências de TOI-197.01, mostrando a região de frequências em que oscilações foram detectadas. Linhas verticais indicam as frequências individuais; modos radiais são marcados em azul. b) Círculos azuis representam os modos radiais que se alinham verticalmente quando a diferença entre eles é de 28.94 microHz, ilustrando o valor da separação entre frequências. Figura 2 no artigo.

Modelando as propriedades estelares

Os autores então utilizam modelos de evolução estelar e a técnica de asterosismologia para modelar as propriedades da estrela. A luminosidade foi calculada utilizando a paralaxe medida pelo Gaia e fotometria de diferentes catálogos públicos. As propriedades obtidas a partir do espectro observado (temperatura, gravidade e metalicidade) foram também levadas em conta, combinadas com as frequências e valor de separação obtidos na análise asterosismológica. Isso resultou em dois possíveis modelos: i) uma estrela relativamente velha de baixa massa (1.15 Msol, ~6Gyr), ou ii) uma estrela mais jovem com massa ligeiramente maior (1.3 Msol, ~ 4Gyr). O modelo com mais alta massa é o mais provável segundo a análise dos autores. Graças à asterosismologia, os parâmetros estelares têm incertezas relativamente pequenas: 2% em raio, 6% em massa, 11% em densidade média e 22% em idade.

Caracterizando o planeta

Figura 3: dados para TOI-19, dobrados no período orbital de 14,3 dias. No topo, a curva de luz obtida pela TESS, e abaixo a curva de velocidade radial. Figura 5 no artigo.

Utilizando a densidade estelar média obtida com a análise asterosismológica, os autores ajustam simultaneamente os dados fotométricos e de velocidade radial para obter as propriedades do planeta. A Fig. 3 mostra os dois conjuntos de dados considerando o período orbital obtido, de 14,3 dias. A razão de massa entre a estrela e o planeta foi obtida a partir da amplitude da curva de velocidade radial. Dada a massa estelar modelada, a massa mínima do planeta é cerca de 35% menor que a massa de Saturno. Um valor exato para a massa depende da inclinação do sistema, que é difícil de estimar. O trânsito observado permite obter a razão entre os raios, que permite inferir que TOI-197.01 tem o mesmo raio que Saturno.

Um Saturno quente e um futuro brilhante!

O resultado obtido é que TOI-197.01 é um Saturno quente orbitando uma estrela subgigante ou iniciando a fase de gigante vermelha. TOI-197.01 é uma descoberta significante, sendo o primeiro exoplaneta transitando uma estrela subgigante com oscilações detectadas pelo TESS. Apenas outros cinco sistemas como esse são conhecidos (tendo sido encontrados pela missão Kepler).

Este é um resultado interessante que mostra que mesmo com apenas 27 dias de observação, os dados do TESS permitirão estudar as oscilações de milhares de estrelas com os dados com cadência de dois minutos. TOI-197.01 é também um dos planetas com o tamanho de Saturno melhor caracterizados, com uma densidade estimada com precisão de 15%, demonstrando que temos muito a ganhar “ouvindo” as frequências das estrelas que abrigam exoplanetas.


Adaptado de How to find exoplanets and ‘listen’ to their stars with TESS, por Emma Foxell

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