Newswise — Earth-sized planets may be much more common than previously realized. Astronomers working at NASA Ames Research Center have used the twin telescopes of the international Gemini Observatory, a Program of NSF’s NOIRLab, to determine that many planet-hosting stars identified by NASA’s TESS exoplanet-hunting mission [1] are actually pairs of stars — known as binary stars — where the planets orbit one of the stars in the pair. After examining these binary stars, the team has concluded that Earth-sized planets in many two-star systems might be going unnoticed by transit searches like TESS’s, which look for changes in the light from a star when a planet passes in front of it [2]. The light from the second star makes it more difficult to detect the changes in the host star’s light when the planet transits.

The team started out by trying to determine whether some of the exoplanet host stars identified with TESS were actually unknown binary stars. Physical pairs of stars that are close together can be mistaken for single stars unless they are observed at extremely high resolution. So the team turned to both Gemini telescopes to inspect a sample of exoplanet host stars in painstaking detail. Using a technique called speckle imaging [3], the astronomers set out to see whether they could spot undiscovered stellar companions.

Using the `Alopeke and Zorro instruments on the Gemini North and South telescopes in Chile and Hawai‘i, respectively, [4] the team observed hundreds of nearby stars that TESS had identified as potential exoplanet hosts. They discovered that 73 of these stars are really binary star systems that had appeared as single points of light until observed at higher resolution with Gemini. “With the Gemini Observatory's 8.1-meter telescopes, we obtained extremely high-resolution images of exoplanet host stars and detected stellar companions at very small separations,” said Katie Lester of NASA’s Ames Research Center, who led this work.

Lester’s team also studied an additional 18 binary stars previously found among the TESS exoplanet hosts using the NN-EXPLORE Exoplanet and Stellar Speckle Imager (NESSI) on the WIYN 3.5-meter Telescope at Kitt Peak National Observatory, also a Program of NSF’s NOIRLab. 

After identifying the binary stars, the team compared the sizes of the detected planets in the binary star systems to those in single-star systems. They realized that the TESS spacecraft found both large and small exoplanets orbiting single stars, but only large planets in binary systems. 

These results imply that a population of Earth-sized planets could be lurking in binary systems and going undetected using the transit method employed by TESS and many other planet-hunting telescopes. Some scientists had suspected that transit searches might be missing small planets in binary systems, but the new study provides observational support to back it up and shows which sizes of exoplanets are affected [5]. 

“We have shown that it is more difficult to find Earth-sized planets in binary systems because small planets get lost in the glare of their two parent stars,” Lester stated. “Their transits are ‘filled in’ by the light from the companion star,” added Steve Howell of NASA's Ames Research Center, who leads the speckle imaging effort and was involved in this research. 

“Since roughly 50% of stars are in binary systems, we could be missing the discovery of — and the chance to study — a lot of Earth-like planets,” Lester concluded.

The possibility of these missing worlds means that astronomers will need to use a variety of observational techniques before concluding that a given binary star system has no Earth-like planets. “Astronomers need to know whether a star is single or binary before they claim that no small planets exist in that system,” explained Lester. “If it's single, then you could say that no small planets exist. But if the host is in a binary, you wouldn't know whether a small planet is hidden by the companion star or does not exist at all. You would need more observations with a different technique to figure that out.”

As part of their study, Lester and her colleagues also analyzed how far apart the stars are in the binary systems where TESS had detected large planets. The team found that the stars in the exoplanet-hosting pairs were typically farther apart than binary stars not known to have planets [6]. This could suggest that planets do not form around stars that have close stellar companions.

"This speckle imaging survey illustrates the critical need for NSF telescope facilities to characterize newly discovered planetary systems and develop our understanding of planetary populations," said National Science Foundation Division of Astronomical Sciences Program Officer Martin Still.

“This is a major finding in exoplanet work,” Howell commented. “The results will help theorists create their models for how planets form and evolve in double-star systems.”

Notes

[1] TESS is the Transiting Exoplanet Survey Satellite, a NASA mission designed to search for planets orbiting other stars in a survey of around 75% of the entire night sky. The mission launched in 2018 and has detected more than 3500 candidate exoplanets, of which more than 130 have been confirmed. The satellite looks for exoplanets by observing their host stars; a transiting exoplanet causes a subtle but measurable dip in the brightness of its host star as it crosses in front of the star and blocks some of its light.

[2] The transit technique is one way of discovering exoplanets. It involves looking for regular decreases in the light of a star that could be caused by a planet passing in front of or “transiting” the star and blocking some of the starlight.

[3] Speckle imaging is an astronomical technique that allows astronomers to see past the blur of the atmosphere by taking many quick observations in rapid succession. By combining these observations, it is possible to cancel out the blurring effect of the atmosphere, which affects ground-based astronomy by causing stars in the night sky to twinkle.

[4] `Alopeke & Zorro are identical imaging instruments permanently mounted on the Gemini North and South telescopes. Their names mean “fox” in Hawaiian and Spanish, respectively, reflecting their respective locations on Maunakea in Hawaiʻi and on Cerro Pachón in Chile.

[5] The team found that planets twice the size of Earth or smaller could not be detected using the transit method when observing binary systems.

[6] Lester’s team found that the exoplanet-hosting binary stars they identified had average separations of about 100 astronomical units. (An astronomical unit is the average distance between the Sun and Earth.) Binary stars that are not known to host planets are typically separated by around 40 astronomical units.

More information

This research is presented in the paper “Speckle Observations of TESS Exoplanet Host Stars. II. Stellar Companions at 1-1000 AU and Implications for Small Planet Detection” to appear in the Astronomical Journal.

The team is composed of Kathryn V. Lester (NASA Ames Research Center), Rachel A. Matson (US Naval Observatory), Steve B. Howell (NASA Ames Research Center), Elise Furlan (Exoplanet Science Institute, Caltech), Crystal L. Gnilka (NASA Ames Research Center), Nicholas J. Scott (NASA Ames Research Center), David R. Ciardi (Exoplanet Science Institute, Caltech), Mark E. Everett (NSF's NOIRLab), Zachary D. Hartman (Lowell Observatory & Department of Physics & Astronomy, Georgia State University), and Lea A. Hirsch (Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology, Stanford University).

NSF’s NOIRLab (National Optical-Infrared Astronomy Research Laboratory), the US center for ground-based optical-infrared astronomy, operates the international Gemini Observatory (a facility of NSF, NRC–Canada, ANID–Chile, MCTIC–Brazil, MINCyT–Argentina, and KASI–Republic of Korea), Kitt Peak National Observatory (KPNO), Cerro Tololo Inter-American Observatory (CTIO), the Community Science and Data Center (CSDC), and Vera C. Rubin Observatory (operated in cooperation with the Department of Energy’s SLAC National Accelerator Laboratory). It is managed by the Association of Universities for Research in Astronomy (AURA) under a cooperative agreement with NSF and is headquartered in Tucson, Arizona. The astronomical community is honored to have the opportunity to conduct astronomical research on Iolkam Du’ag (Kitt Peak) in Arizona, on Maunakea in Hawai‘i, and on Cerro Tololo and Cerro Pachón in Chile. We recognize and acknowledge the very significant cultural role and reverence that these sites have to the Tohono O'odham Nation, to the Native Hawaiian community, and to the local communities in Chile, respectively.

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¿Nos estamos perdiendo otras Tierras?

Astrónomos especialistas en el estudio de estrellas binarias, aseguran que existen más planetas similares a la Tierra de lo que se creía originalmente

 

Posiblemente algunas búsquedas de exoplanetas podrían estar descartando casi la mitad de los planetas del tamaño de la Tierra que orbitan otras estrellas, de acuerdo a nuevos hallazgos realizados por un equipo de astrónomos que utilizó los telescopios de Gemini en Chile y Hawai‘i, además del Telescopio WIYN de 3,5 metros en el Observatorio Nacional Kitt Peak, en Arizona. Los estudios sugieren que planetas del tamaño de la Tierra podrían permanecer sin ser descubiertos en sistemas estelares binarios, ocultos por el resplandor de sus estrellas madres. Como aproximadamente la mitad de todas las estrellas se ubican en sistemas binarios, esto significa que los astrónomos podrían estar perdiendo la oportunidad de descubrir muchos planetas del tamaño de la Tierra.

Los planetas del tamaño de la Tierra pueden ser mucho más comunes de lo que se pensaba. Los astrónomos que trabajan en el Centro de Investigación Ames de la NASA utilizaron los telescopios gemelos de Gemini, un programa del NOIRLab de NSF y Observatorio AURA, para determinar que muchas estrellas que albergan planetas y que fueron identificadas por la misión de caza de exoplanetas TESS de la NASA [1],  corresponden a estrellas binarias, es  decir, un sistema estelar compuesto por dos estrellas que se orbitan mutuamente alrededor de un centro de masas común, y donde los planetas orbitan una de las estrellas del par.

Después de examinar estas estrellas binarias, el equipo concluyó que los planetas del tamaño de la Tierra en muchos sistemas de dos estrellas podrían pasar desapercibidos por investigaciones como la que realiza TESS, que buscan cambios en la luz de una estrella cuando un planeta pasa frente a ella [2]. En este caso, la luz de la segunda estrella hace que sea más difícil detectar los cambios en la luz de la estrella anfitriona cuando el planeta pasa frente a ella.

El equipo comenzó tratando de determinar si algunas de las estrellas anfitrionas de exoplanetas identificadas con TESS eran en realidad estrellas binarias de las que no se tenía conocimiento. Las estrellas que están muy juntas pueden confundirse con estrellas individuales a menos que se observen a una resolución extremadamente alta. Por esa razón, el equipo recurrió a ambos telescopios Gemini para inspeccionar minuciosamente una muestra de estrellas anfitrionas de exoplanetas, utilizando una técnica llamada imagen de puntos (speckle imaging) [3], con tal de ver si podían detectar compañeros estelares sin descubrir.

Utilizando los instrumentos `Alopeke y Zorro en los telescopios Gemini Norte y Sur, en Hawai‘i y en Chile, respectivamente, [4] el equipo observó cientos de estrellas cercanas que TESS había identificado como posibles anfitrionas de exoplanetas. Descubrieron que 73 de estas estrellas son en realidad sistemas estelares binarios que habían aparecido como puntos únicos de luz hasta que se observaron a mayor resolución con Gemini: "Con los telescopios de 8,1 metros del Observatorio Gemini, obtuvimos imágenes de estrellas anfitrionas de exoplanetas con una extremadamente alta resolución y detectamos compañeros estelares en separaciones muy pequeñas", explicó Katie Lester del Centro de Investigación Ames de la NASA, quien dirigió este trabajo.

El equipo de Lester también estudió 18 estrellas binarias adicionales encontradas anteriormente entre los anfitriones de exoplanetas TESS, utilizando el instrumento NN-EXPLORE Exoplanet and Stellar Speckle Imager (NESSI), en el telescopio WIYN de 3,5 metros, en el Observatorio Nacional de Kitt Peak, también un programa de NOIRLab de NSF.

Después de identificar las estrellas binarias, el equipo comparó los tamaños de los planetas detectados en los sistemas estelares binarios con los de los sistemas de una sola estrella. Se dieron cuenta que la nave espacial TESS encontró exoplanetas grandes y pequeños orbitando estrellas individuales, pero sólo halló planetas grandes en sistemas binarios.

Estos resultados implican que un número importante de planetas del tamaño de la Tierra podría estar oculto en sistemas binarios y pasar desapercibido cuando se utiliza el método de detección de planetas de tránsito empleado por TESS y muchos otros telescopios cazadores de planetas. Algunos científicos habían sospechado que en las búsquedas de tránsito podrían faltar planetas pequeños en sistemas binarios, y ahora este nuevo estudio proporciona apoyo observacional para respaldar la hipótesis y además precisa qué tamaños de exoplanetas se ven afectados [5].

"Hemos demostrado que es más difícil encontrar planetas del tamaño de la Tierra en sistemas binarios porque los planetas pequeños se pierden en el resplandor de sus dos estrellas madres", afirmó Lester. En tanto que Steve Howell, del Centro de Investigación Ames de la NASA, líder del esfuerzo de obtención de imágenes en speckle y miembro de la investigación, agregó que “sus tránsitos son 'rellenados' por la luz de la estrella compañera”.

“Dado que aproximadamente el 50% de las estrellas están en sistemas binarios, podríamos estar perdiendo el descubrimiento y la oportunidad de estudiar muchos planetas similares a la Tierra”, concluyó Lester.

Esta posibilidad implica que los astrónomos necesitarán utilizar una variedad de técnicas de observación antes de confirmar que un sistema estelar binario no tiene planetas similares a la Tierra. "Los astrónomos necesitan saber si una estrella es única o binaria antes de afirmar que no existen planetas pequeños en ese sistema", explicó Lester. “Si es única, entonces se podría decir que no existen planetas pequeños. Pero si el anfitrión está es un binario, no sabrías si hay un pequeño planeta oculto por la estrella compañera o no existe. Necesitarás más observaciones con una técnica diferente para averiguarlo".

Como parte de su estudio, Lester y sus colegas también analizaron qué tan alejadas están las estrellas en los sistemas binarios donde TESS había detectado planetas grandes. El equipo encontró que las estrellas en los pares de anfitriones de exoplanetas estaban más alejadas que las estrellas binarias a las que no se les conocían planetas [6]. Esto puede sugerir que los planetas no se forman alrededor de estrellas que se encuentran muy cerca la una de la otra.

"Este estudio de ‘speckle imaging’ ilustra la urgente necesidad por acceder a las instalaciones de los telescopios de NSF para caracterizar los sistemas planetarios recién descubiertos y desarrollar nuestra comprensión de las poblaciones planetarias”, señaló el Jefe de Programa de la División de Ciencias Astronómicas de la Fundación Nacional de Ciencias, Martin Still.

Por su parte Howell agregó que el estudio se trata de un hallazgo importante en el trabajo de exoplanetas: “Los resultados ayudarán a los teóricos a crear modelos sobre la formación y evolución de los planetas en sistemas estelares dobles”.

Notas

[1] TESS es la sigla en inglés para el Satélite de Sondeo de Exoplanetas, una misión de la NASA diseñada para buscar planetas orbitando otras estrellas en un estudio de cerca del 75% de todo el cielo nocturno. La misión fue lanzada en 2018 y ha detectado más de 3.500 candidatos a exoplanetas, de los cuales más de 130 han sido confirmados como tales. El satélite busca exoplanetas observando sus estrellas anfitrionas; cuando un exoplaneta cruza frente a la estrella y bloquea parte de su luz, provoca una caída sutil pero mensurable en el brillo de su estrella anfitriona.

[2] La técnica de tránsito es una forma de descubrir exoplanetas que consiste en buscar disminuciones regulares de la luz que emite una estrella que puede ser causado por el paso o “tránsito” de un planeta frente a su estrella que bloquea una pequeña porción de la luz que emite.

[3] Speckle imaging es una técnica astronómica que permite a los astrónomos reducir la turbulencia que causa la atmósfera en la luz que llega a la Tierra, mediante la toma de muchas imágenes en forma muy veloz. Luego de combinar estas observaciones, es posible cancelar el efecto de la turbulencia atmosférica que afecta a la astronomía en tierra y que provoca que las estrellas titilen en el cielo nocturno.

[4] `Alopeke y Zorro son instrumentos que proveen imágenes y que son idénticos. Están permanentemente montados en los telescopios de Gemini Norte y Sur, y tienen el mismo nombre, ya que `Alopeke es la palabra hawaiana para “zorro” en castellano. Sus nombres representan sus respectivas ubicaciones en Maunakea in Hawaiʻi y en Cerro Pachón, Chile.

[5] El equipo descubrió que los planetas con el doble del tamaño de la Tierra o más pequeños que ella, no podrían ser detectados utilizando el método de tránsito cuando se observan sistemas binarios.

[6] El equipo de Lester encontró separaciones en promedio de 100 unidades astronómicas en las estrellas binarias que alojan exoplanetas, y que ellos identificaron (una Unidad Astronómica es la distancia promedio entre el Sol y la Tierra). Las estrellas binarias de las que se sabe que no alojan planetas están generalmente separadas por unas 40 Unidades Astronómicas.

Más Información

Esta investigación se presenta en el artículo científico “Speckle Observations of TESS Exoplanet Host Stars. II. Stellar Companions at 1-1000 AU and Implications for Small Planet Detection” que será publicado en el Astronomical Journal.

El equipo de investigación está compuesto por Kathryn V. Lester (NASA Ames Research Center), Rachel A. Matson (US Naval Observatory), Steve B. Howell (NASA Ames Research Center), Elise Furlan (Exoplanet Science Institute, Caltech), Crystal L. Gnilka (NASA Ames Research Center), Nicholas J. Scott (NASA Ames Research Center), David R. Ciardi (Exoplanet Science Institute, Caltech), Mark E. Everett (NOIRLab de NSF), Zachary D. Hartman (Lowell Observatory & Department of Physics & Astronomy, Georgia State University), and Lea A. Hirsch (Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology, Stanford University).

NOIRLab de NSF (Laboratorio Nacional de Investigación en Astronomía Óptica-Infrarroja de NSF), el centro de EE. UU. para la astronomía óptica-infrarroja en tierra, opera el Observatorio internacional Gemini (una instalación de NSF, NRC–Canada, ANID–Chile, MCTIC–Brasil, MINCyT–Argentina y KASI – República de Corea), el Observatorio Nacional de Kitt Peak (KPNO), el Observatorio Interamericano Cerro Tololo (CTIO), el Centro de Datos para la Comunidad Científica (CSDC) y el Observatorio Vera C. Rubin (operado en cooperación con el National Accelerator Laboratory (SLAC) del Departamento de Energía de Estados Unidos (DOE). Está administrado por la Asociación de Universidades para la Investigación en Astronomía (AURA) en virtud de un acuerdo de cooperación con NSF y tiene su sede en Tucson, Arizona. La comunidad astronómica tiene el honor de tener la oportunidad de realizar investigaciones astronómicas en Iolkam Du’ag (Kitt Peak) en Arizona, en Maunakea, en Hawai‘i, y en Cerro Tololo y Cerro Pachón en Chile. Reconocemos y apreciamos el importante rol cultural y la veneración que estos sitios tienen para la Nación Tohono O’odham, para la comunidad nativa de Hawai‘i y para las comunidades locales en Chile, respectivamente.

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