Radial velocity search for exoplanets around stars in clusters

Resumen

A pesar de que actualmente se conocen alrededor de 5000 planetas, solo unos pocos (~1%) de ellos se han descubierto orbitando alrededor de estrellas con una edad conocida menor de ~1 Ga. Por lo tanto, carecemos de la información necesaria para imponer restricciones sobre los mecanismos que regulan la formación y evolución de sistemas planetarios y sus escalas temporales. Recientemente, TESS ha permitido el descubrimiento de un número cada vez mayor de planetas jóvenes por tránsito. La presencia de intensa actividad estelar en estas estrellas jóvenes, y las variaciones que esta induce en las medidas fotométricas y espectroscópicas, dificultan la detección de planetas alrededor de estos objetos e impiden caracterizar correctamente sus parámetros físicos. De hecho, no hemos sido capaces de determinar de forma precisa la masa de la mayoría de planetas descubiertos por tránsito alrededor de estrellas jóvenes Además, para derivar los parámetros estelares de objetos jóvenes, que a su vez son necesarios para poder caracterizar correctamente sus planetas, se utilizan modelos de evolución estelar, los cuáles no han sido probados de forma exhaustiva en objetos con edades <100 Ma. El objetivo principal de esta tesis es la detección de planetas alrededor de estrellas jóvenes por medio del método de velocidad radial. Para ello, primero tenemos que caracterizar la actividad estelar y encontrar un modo de corregir las señales que induce en las velocidades radiales. Además, pretendemos validar los modelos teóricos que usamos para derivar las masas de las estrellas jóvenes de nuestra muestra. Como parte de este trabajo, estudiamos a GJ1284, una binaria espectroscópica, compuesta por dos estrellas M tempranas, que forma parte de un sistema quíntuple junto con otros dos compañeros de movimiento, GJ898 y GJ897AB. En análisis de la cinemática, además de otros indicadores de juventud, sugiere una pertenencia de los miembros de este sistema quíntuple a la Asociación Local (LA por sus siglas del inglés Local Association), un grupo de movimiento joven con una edad estimada de 10-300 Ma. Comparando las mangitudes y colores de las componentes del sistema con cuatro modelos de evolución diferentes encontramos que las isocronas de los diferentes modelos predicen una edad estimada de ~15-140 Ma, más joven que la que sugieren el resto de indicadores de juventud (110-800 Ma). Por otra parte, vemos que las masas derivadas a partir de relaciones masa-luminosidad (0.432-0.462 y 0.365-0.390 masa solares) para las componentes primaria y secundaria, respectivamente) concuerdan mejor con las masas dinámicas de objetos similares en la literatura. Por este motivo, utilizamos estas relaciones para calcular la masa de las enanas M en pre-secuencia principal de nuestra muestra, es decir, aquellas con una edad <100 Ma. De entre las 372 estrellas que forman parte de la muestra de CARMENES, hemos identificado 97 estrellas jóvenes (<800 Ma) principalmente a partir de su periodo de rotación (Prot < 30 días, dependiendo de tu tipo espectral), 69 de las cuales son miembros de algún grupo de movimiento joven y para las que, por tanto, podemos proporcionar una estimación para la edad más precisa. Sin embargo, solo 84 de estas estrellas jóvenes disponen del número de medidas suficientes para poder estudiar nuestro método de corrección de la actividad estelar y búsqueda de planetas. Nuestro análisis de diversos indicatores de juventud y actividad revela una clara dependencia entre la actividad estelar y la rotación de la estrella, la cual a su vez está relacionada con su edad. Esta misma dependencia también se observa para las variaciones inducidas por la actividad en las medidas de velocidad radial, cuya amplitud está estrechamente correlacionada con la velocidad de rotación proyectada de la estrella. Por consiguiente, corregir las señales de actividad estelar es crucial para optimizar la búsqueda de exoplanetas en estrellas jóvenes, las cuales suelen rotar más rápido y, en consecuencia, presentar una actividad más intensa. Hemos desarrollado un método para corregir las señales inducidas por la actividad en las velocidades radiales basado en identificar correlaciones lineales de estas con diferentes indicadores de actividad (p. ej. el índice crómatico). Para probar este método, hemos usado las 84 estrellas jóvenes de la muestra de CARMENES que mencionamos anteriormente. Las velocidades radiales de aproximadamente la mitad de estas estrellas muestran una correlación lineal significativa con al menos uno de los indicadores de actividad analizados. Sustrayendo estas correlaciones conseguimos reducir la dispersión de las medidas de velocidad radial en promedio en un factor 2, pudiendo llegar hasta un factor 3-4.5 en algunos casos. Además, hemos realizamos simulaciones para asegurarnos de que este procedimiento no afecta a las señales debidas a la posible presencia de algún planeta. Por último, hemos estudiado la frecuencia de planetas en las 84 estrellas jóvenes y activas de CARMENES, las cuales constituyen la mayor muestra de objetos jóvenes analizados de forma homogénea mediante la técnica de velocidad radial. Nuestro análisis ha consistido en identificar en las medidas de velocidad radial de CARMENES señales periódicas que no tengan una contrapartida en ninguno de los indicadores de actividad y que tampoco estén relacionadas con su periodo de rotación ni con sus armónicos. A lo largo de este proceso, hemos encontrado un total de cinco candidatos a planetas con edades entre ~25--800 Ma que posteriormente han sido descartado tras un análisis más detallado de las señales o de la juventud de la estrella. También hemos identificado un mini-Neptuno (10.27 masas de la Tierra) joven, GJ338B b, el cual ya había sido publicado por miembros del consorcio de CARMENES. Tras revisar la juventud de su estrella, concluimos que el objeto tiene una edad 600-800 Ma por su pertenencia al Supercúmulo de las Hyades. Hemos calculado la frecuencia de planetas con masas entre 1-1000 masas de la Tierra y periodos entre 1-1000 días, encontrando que las super-Tierras y mini-Neptunos parecen ser los planetas más abundantes, parecido a lo que han encontrado otros trabajos previos en estrellas más viejas. Para los planetas con entre 10-100 masas de la Tierra y 10-100 días encontramos una frecuencia de 5.9%, a partir de la cual concluimos que este es el rango idóneo para buscar exoplanetas jóvenes usando velocidades radiales. Además, calculamos un límite superior para la frecuencia de planetas jovianos <2.5\% para todos los periodos analizados, lo que supone la restricción más fuerte hasta el momento sobre la presencia de este tipo de planetas en enanas M jóvenes.