How Bumpy is My Exoplanet?

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Theme song by Destin Heilman

Transcripción en Español

ERIC: From the Museum of Science Boston, this is Pulsar, a podcast where experts answer questions from you, our audience. I'm your host, Eric. We got a great question from Casey who wondered, what kinds of things we can learn about exoplanets? Exoplanets are planets that are orbiting stars far away outside of our solar system.

To answer that question, we reached out to a scientist who is working on that very question. My guest today is Moiya McTier, a graduate research fellow in astronomy at Columbia University. Moiya, thanks for coming on Pulsar.

MOIYA: Thanks for having me here, Eric.

ERIC: So, one of your areas of study is exotopography, which is really exciting, because my spellcheck infomed me it was not a word.

And that means it's such a new area of study that it doesn't even exist in spellcheck yet. So, can you tell us what is exotopography and how did you first start to think about this brand new way of thinking about exoplanets?

MOIYA: Yeah, I'm glad your computer caught that, it's a word I made up, exotopography and I haven't had the time yet to talk to the good people at Webster to get it into the official dictionary.

But exotopography is the study of mountains and craters and other geographic features on the surface of planets outside of our solar system. So, it comes from the words exo, meaning exoplanet and topography meaning like surface features. It was actually my advisor's idea originally, his name is David Kipping.

And he's known for having kind of wacky, very out there ideas in astronomy. And he came to me in my first year of grad school and was like, what if we could find mountains on exoplanets? And I looked at him and I was like, David, that's wild. We can't possibly do that with our technology.

And he said, well, why don't you see. I'm sure the actual conversation wasn't really that cartoonish. But it was one of those things where he really pushed me into exploring this and I didn't expect to find anything but then I did and it was really cool.

ERIC: That's really awesome. So this research relies on transits. Can you tell us what those are and how they help you to find these features on exoplanets?

MOIYA: So, a transit is what you see if a planet passes in front of a star from our point of view. One of the main ways that astronomers detect exoplanets these days is using a method called transit photometry.

So, basically you point a telescope at a patch of sky and the telescope measures how much light you're getting from that patch of sky. If a planet passes in front of a star, it's going to block some of that stars light, so you'll get a dip in the amount of light you get.

The ideal transit is this kind of upside down trapezoid shape, that actually traces out the amount of light that you're receiving from a planetary system. That trapezoid shape that transit can tell you really cool things about the planet. It can tell you how big it is compared to its star.

If you see how long the signal goes between different transits, you can tell how long the planet's year is. So, you can figure out the orbital period of the planet. My method of exotopography actually depends on looking at the very bottom of that transit and seeing if there's any scatter there.

If a planet has a bunch of mountains on it and it's rotating in front of its star, than the area of light that's being blocked is changing over time. So, that means the depth of the transit that we receive is changing over time. And so, in my method, I looked at how much scatter there was at the bottom of the light curve and kinda reverse engineered that to figure out how bumpy a planet might be.

ERIC: And that was the official scientific term that you introduce: bumpiness. So what is that actually? Is that just looking at the curve and saying that looks pretty bumpy or does it actually have some math behind it?

MOIYA: It has some math behind it. This is what happens when you ask a first year graduate student to invent a new field of science.

They're gonna come up with terms like bumpiness and expect other people to treat it with the scientific respect that it deserves. So, there is some math behind it, the bumpiness of a planet is the standard deviation of the height of the surface features. So, really it's a measure of, on average, how much does the height of a surface feature on this planet vary from the mean.

So, it would tell you if you have a lot of very small mountains or a few very tall mountains.

ERIC: So a very smooth exoplanet would have a low bumpiness and one that had lots of mountains of all kinds and shapes and sizes would have a high bumpiness?

MOIYA: Exactly, yeah.

ERIC: So, we have really great topography maps for a few planets in our own backyard. We've measured Mars, we obviously know almost everything there is to know about mountains on the earth. Does that help in thinking about exoplanets and how bumpy they might be?

MOIYA: Yeah, it doesn't just help but it was kind of the basis for my whole project.

So, to get the relationship between the scatter at the bottom of a light curve and how bumpy a planet is, I actually use those really precise and accurate maps of the topography of other bodies in our solar system. I used Mars, Venus, Earth and the moon and I had two versions of Earth.

I had Earth with water, like with the oceans and I had Earth without oceans, because the oceans actually obscure a lot of really interesting features. Without those maps of the other bodies in the solar system, i just wouldn't have been able to do my research. And we have no reason to expect that the stuff in our solar system would be drastically different from the types of bodies that we can expect to find outside of the solar system.

ERIC: So, if we wanted to go ahead and start looking for these mountain ranges and bumpiness of other exoplanets, what kind of telescope would we need?

MOIYA: Yeah, so the unfortunate thing about the project was that we found that these signals are so small that we don't actually have telescopes right now that are powerful enough to detect them.

Even the fact that we can find planets with our telescopes is really impressive. Because seeing a planet pass in front of its star from thousands of light years away, is kind of the same as watching a fly pass in front of the car's headlight when the car is in LA and you're standing in New York, these are really tiny signals.

And finding mountains on these planets is even harder. So, we found that in order to detect exotopography, we'd actually have to have a telescope that's 80 or 100 metres across. These are telescopes like the overwhelmingly large telescope or Colossus. Right now we're just starting to plan how we're going to get the money to build these telescopes, like they are many decades away from us right now.

But one day, one day we will be able to do it.

ERIC: And what better time to start figuring out how to do it than now?

MOIYA: Right, I like to joke that I'm not gonna get many citations now but in like 40 years it's just gonna boom.

ERIC: So, why is exotopography important? What can it tell us about exoplanet besides just how many mountains it has?

MOIYA: That's a great question, and the answer to that is kind of indirect. I think for one, it's just really cool to have an idea of how mountainous an exoplanet might be. But if you're looking for something more practical, the presence of mountains actually indicates other things that are probably good indicators of habitability or life being able to exist on that planet.

So, if you have a very mountainous planet, that's a good indication that the planet has internal mechanisms like plate tectonic movement. It might have internal volcanism and those are things that are really helpful for life. Plate tectonic movement will help with the rock cycle and with the carbon cycle, so cycling carbon dioxide out of the atmosphere.

Internal mechanism can provide a source of heat, which is really important, especially if you're farther away from your star and astronomers would assume that you're outside of the star's Goldilocks zone or habitable zone. But there are other things that are really interesting if you kind of take a more abstract approach to exotopograhy.

So, other fun things that you might be able to learn from looking at the bumpiness of a planet are whether or not that planet has an ocean. If the planet is much less bumpy from the light curve than you expect it to be, then that's a sign that something is probably obscuring a lot of the features and that something can be at an ocean, which would be super cool.

We don't have a way to confirm or deny the presence of oceans on exoplanets yet, or it could be clouds which would be a great way of confirming the presence of a thick, vibrant atmosphere.

ERIC: So, what's next? Is there anything else we can do while we wait for these next generation telescopes to come online?

MOIYA: There's a lot we can do. I mean, space is the final frontier, right? There's so much of it that we don't understand. And since studying exotopography, I have turned my attention more towards something that people call the search for the galactic habitable zone. So, I'm trying to find whether or not there's a place in the galaxy where habitable planets are most likely to form.

There are a lot of different ways that you can approach this, in the past, people have approached it by looking at supernova rates or the way that chemicals and elements and molecules are distributed throughout the galaxy. I like to look at how the galaxy moves. So, this is something called Milky Way or galactic dynamics.

My last project, looked at how often stars in the very center of the galaxy fly close to each other. So, they don't actually hit each other, but they just have these very close encounters that could have super drastic consequences for the planets orbiting these stars.

ERIC: Moiya, thank you so much for coming onto Pulsar and telling us all about this exciting new field.

MOIYA: Thanks for having me. I'm really happy about the idea of other people learning more about exotopography.

ERIC: If you'd like to have one of your questions answered by a visiting expert of a Museum of Science educator, you can email them to sciencequestions@mos.org. If you enjoyed this episode of Pulsar, don't forget to subscribe on the Apple Podcast app or on Spotify, as well as leaving a rating or a review for us.

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Español

ERIC: Desde el Museo de Ciencias de Boston esto es Pulsar, un pódcast donde los expertos responden a las preguntas de nuestros oyentes. Soy su anfitrión, Eric. Tenemos una excelente pregunta de Casey, quien se pregunta qué cosas se pueden aprender de los exoplanetas. Los exoplanetas son planetas que orbitan estrellas lejanas, fuera de nuestro sistema solar.

Para responder a esa pregunta nos pusimos en contacto con una científica que está trabajando justamente en el tema. Mi invitada de hoy es Moiya McTier, una becaria predoctoral de investigación en Astronomía en la Universidad de Columbia. Moiya, gracias por venir a Pulsar.

MOIYA: Gracias por invitarme, Eric.

ERIC: Una de tus áreas de estudio es la exotopografía, lo cual es muy emocionante porque mi corrector ortográfico me informó que el término no existe, y eso quiere decir que es un área de estudio tan nueva que ni siquiera existe en el corrector ortográfico todavía.

¿Puedes contarnos qué es la exotopografía y cómo empezaste a pensar en esta nueva manera de concebir los exoplanetas?

ERIC: Sí, me alegra que tu computadora lo haya captado porque es una palabra que inventé, exotopografía, y no he tenido tiempo de hablar con los encargados en Webster para que la incluyan en el diccionario oficial.

Pero la exotopografía es el estudio de las montañas, los cráteres y otras características geográficas en la superficie de planetas por fuera de nuestro sistema solar. Viene de las palabras exo, que se refiere a los exoplanetas, y topografía, que se refiere a las características de la superficie. De hecho la idea original fue de mi asesor, su nombre es David Kipping, y es conocido por sus ideas un tanto excéntricas en astronomía.

Y se acercó a mí en mi primer año de la escuela de postgrado, y decía, ¿qué tal si pudiéramos encontrar montañas en los exoplanetas? Lo miré y dije, David, eso es demasiado, no es posible que lo hagamos con nuestra tecnología. Y él dijo, bueno, ¿por qué no ves?

Seguramente la conversación real no fue tan caricaturesca, pero fue una de esas cosas en las que él me impulsó a explorar y yo no esperaba encontrar nada pero lo hice y fue genial.

ERIC: Muy impresionante. Esta investigación se sustenta en los tránsitos, ¿puedes contarnos qué son y cómo te ayudan a encontrar esas características en los exoplanetas?

MOIYA: Un tránsito es lo que se ve si un planeta pasa frente a una estrella desde nuestro punto de vista. Una de las principales formas en que los astrónomos detectan exoplanetas actualmente, es usando un método llamado fotometría de tránsito. Básicamente apuntas un telescopio a una zona del cielo y el telescopio mide cuánta luz recibes de esa zona del cielo.

Si un planeta pasa frente a una estrella va a bloquear un poco la luz de esa estrella por lo que tendrás una disminución en la cantidad de luz que recibes. El tránsito ideal es el de esta forma de trapecio invertido que de hecho marca la cantidad de luz que estás recibiendo de un sistema planetario.

Esa forma trapezoidal de ese tránsito te puede decir cosas impresionantes sobre el planeta. Te puede decir lo grande que es en comparación con su estrella. Si ves cuánto tarda la señal entre diferentes tránsitos puedes saber la duración del año del planeta, así que puedes determinar el periodo orbital del planeta.

Mi método de exotopografía depende de la observación de la parte inferior de ese tránsito para ver si hay alguna dispersión. Si un planeta tiene varias montañas y está rotando frente a su estrella, el área de luz que se bloquea cambia con el tiempo, y eso significa que la profundidad del tránsito que recibimos está cambiando con el tiempo.

En mi método observé cuánta dispersión había en la parte inferior de la curva de luz y le hice ingeniería inversa para determinar lo irregular que podría ser un planeta.

ERIC: Y ese fue el término científico oficial que introdujiste, irregularidad. ¿De qué se trata en realidad?

¿Es solo ver la curva y decir que se ve bastante irregular o en realidad hay algunas matemáticas detrás?

MOIYA: Hay algunas matemáticas detrás. Esto es lo que ocurre cuando le pides a un estudiante de primer año de postgrado que invente un nuevo campo de la ciencia, va a proponer términos como irregularidad y va a esperar que los demás lo traten con el respeto científico que se merece.

Hay algunas matemáticas detrás, la irregularidad de un planeta es la desviación estándar de la altura de las características de la superficie. En realidad es una medida de, en promedio, cuánto varía la altura de una característica de la superficie de este planeta de la media. Eso te puede decir si hay varias montañas muy pequeñas o unas cuantas montañas muy altas.

ERIC: ¿Entonces un exoplaneta muy uniforme tendría una irregularidad baja y uno que tenga muchas montañas y todo tipo de formas y tamaños tendría una irregularidad alta?

MOIYA: Exactamente.

ERIC: Tenemos muy buenos mapas de la topografía de unos cuantos planetas en nuestro sistema. Hemos medido a Marte, y obviamente sabemos casi todo lo que hay que saber sobre las montañas de la Tierra.

¿Eso ayuda a pensar en los exoplanetas y cuán irregulares pueden ser?

MOIYA: Sí, no solo ayuda sino que es prácticamente la base de todo mi proyecto. Para determinar la relación entre la dispersión en la parte inferior de una curva de luz y lo irregular que es un planeta, yo utilizo esos mapas muy precisos y exactos de la topografía de otros cuerpos de nuestro sistema solar.

Utilicé a Marte, Venus, La Tierra y la Luna y tuve dos versiones de la Tierra, tuve la Tierra con agua, con océanos, y tuve la Tierra sin océanos, porque los océanos de hecho ocultan características realmente interesantes. Sin esos mapas de otros cuerpos en el sistema solar no hubiera podido hacer mi investigación.

Y no hay razón para esperar que las cosas en nuestro sistema solar sean drásticamente diferentes de los cuerpos que podemos encontrar fuera de nuestro sistema solar.

ERIC: Si quisiéramos empezar a buscar esas cordilleras y la irregularidad de otros exoplanetas, ¿qué tipo de telescopio necesitaríamos?

MOIYA: Sí, lo lamentable del proyecto fue que encontramos que esas señales son tan pequeñas que no tenemos telescopios que sean tan potentes como para detectarlas.

Incluso el hecho de que podamos encontrar planetas con nuestros telescopios es impresionante, porque ver un planeta pasar frente a su estrella a una distancia de miles de años luz es casi como ver pasar una mosca frente al faro de un automóvil que está en Los Angeles y tú estás en Nueva York, son señales muy pequeñas, y encontrar montañas en esos planetas es aun más difícil.

Encontramos que para detectar exotopografía tendríamos que tener un telescopio de unos 80 o 100 metros de ancho. Estos son telescopios abrumadoramente grandes o colosos. En este momento estamos apenas empezando a planear cómo conseguir el dinero para construir estos telescopios, y estamos a muchas décadas de eso, pero algún día podremos hacerlo.

ERIC: ¿Y qué mejor momento para empezar a determinar cómo hacerlo que ahora?

MOIYA: Sí, me gusta bromear con que no voy a tener muchas citaciones ahora, pero en unos 40 años seré un boom.

ERIC: ¿Por qué es importante la exotopografía? ¿Qué nos puede decir de un exoplaneta además de cuántas montañas tiene?

MOIYA: Es una buena pregunta, y la respuesta es algo indirecta. Creo que para uno es genial tener una idea de lo montañoso que podría ser un exoplaneta, pero si estás buscando algo más práctico, la presencia de montañas indica otras cosas que probablemente sean indicadores de habitabilidad o existencia de vida en ese planeta.

Si tienes un planeta muy montañoso es un buen indicador de que el planeta tiene mecanismos internos como movimientos de placas tectónicas, podría tener vulcanismo interno y esas son cosas realmente útiles para la vida. El movimiento de placas tectónicas ayuda al ciclo de las rocas y al ciclo del carbono, haciendo circular el dióxido de carbono fuera de la atmósfera.

El mecanismo interno puede proporcionar una fuente de calor, que es muy importante, en especial si estás más lejos de tu estrella, y los astrónomos asumirían que estás fuera del entorno de la estrella a de la zona habitable. Pero hay otras cosas muy interesantes si adoptas un enfoque un poco más abstracto de la exotopografía.

Otras cosas divertidas que podrías aprender de la observación de la irregularidad de un planeta son si ese planeta tiene un océano o no. Si el planeta es mucho menos irregular desde la curva de luz de lo que esperabas, es una señal de que algo probablemente está ocultando muchas de las características y ese algo podría ser un océano, lo cual sería impresionante, no hay manera de confirmar o negar la presencia de océanos en exoplanetas todavía; o podrían ser nubes, lo que sería una manera de confirmar la presencia de una atmósfera espesa y vibrante.

ERIC: ¿Qué sigue? ¿Hay algo que podamos hacer mientas esperamos la puesta en línea de esta próxima generación de telescopios?

MOIYA: Hay mucho por hacer, es decir, el espacio es la frontera final, hay mucho que no entendemos, y desde que estudio la exotopografía he vuelto mi atención más hacia algo que se conoce como la búsqueda de la zona habitable de la galaxia.

Estoy buscando saber si hay o no hay un lugar en la galaxia donde sea más probable que se formen planetas habitables. Hay muchas maneras diferentes de abordar esto, en el pasado lo abordaban mirando las tasas de supernovas o la distribución de químicos y elementos y moléculas en toda la galaxia.

A mí me gusta ver cómo se mueve la galaxia, es algo que se conoce como la dinámica de la Vía Láctea o de la galaxia. En mi último proyecto observé cuán a menudo vuelan las estrellas del centro de la galaxia unas cerca de otras. No es que se golpeen unas a otras, pero tienen encuentros muy cercanos que podrían tener consecuencias drásticas para los planetas que las orbitan.

ERIC: Moiya, muchas gracias por venir a Pulsar y contarnos sobre este emocionante campo nuevo.

MOIYA: Gracias por invitarme, me encanta la idea de que otras personas aprendan más sobre la exotopografía.

ERIC: Si desean que una de sus preguntas sea respondida por un experto visitante o un educador del Museo de Ciencias, pueden enviarles un email a sciencequestions@mos.org.

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