How Do Astronomers Search for Exoplanets?

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Theme song by Destin Heilman

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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. Thanks to Facebook Boston for supporting this episode of Pulsar.

In Episode 27, we talked about exoplanets, worlds that are orbiting stars far away from our solar system.

We mentioned that scientists have discovered over 4,000 exoplanets, and several people wanted to know how we search for them. So we asked Dr. Rob Zellem from NASA's Jet Propulsion Laboratory about his new project, Exoplanet Watch, that will allow amateur astronomers using telescopes in their backyards to help search for these alien worlds.

Dr. Zellem, thanks so much for joining us today.

ROB: Yeah, thank you so much for having me, really, really appreciate the opportunity.

ERIC: So to start, can you give us an overview of what Exoplanet Watch is all about?

ROB: Yeah, so Exoplanet Watch is a Citizen Science Project for amateur astronomers and other citizen scientists to actually observe transiting exoplanets using small telescopes.

So telescopes on the order of about six inches, even potentially a little bit smaller than that. So where Exoplanet Watch is trying to do is we're trying to figure out exactly when a transit occurs. So a transit is when if you're looking at a star, occasionally, if you're lucky, a planet will actually orbit in front of that star and block out the stars late.

And it'll actually cast a shadow on the Earth, and by how much light that planet blocks out as it passes in front of its host star tells us how big the planet is relative to the star. So it actually allows us to directly measure the size of the exoplanet.

You can also use this method to observe and characterize the atmospheres of these exoplanets. So for example, if we use a large ground based observatory, or Hubble or eventually the James Webb Space Telescope, or the European Space Agency's ARIEL mission, if we use these instruments and observe when a transit occurs, we can then actually also observe how the atmosphere of the exoplanet absorbs the light from its host star.

And if a planet for example, absorbs light at one wavelength, we can then infer that that planet has methane in its atmosphere. We see that planet absorbing light more strongly at other wavelengths, we can infer that that planet has carbon dioxide or carbon monoxide in its atmosphere. But in order to use the transit method, we have to know precisely when that planet passes in front of its host star, casting that shadow on the Earth.

And this is where small telescopes can really contribute significantly to the study, in the sense that small telescopes can precisely determine and predict when that next transit event will occur. And by knowing precisely when these events will occur, you can then more efficiently use large telescopes like James Webb, like ground based observatories, use them more efficiently enabling additional science.

So not just additional exoplanets, because we're effectively wasting less time by waiting for a transit to occur, we can look at more transiting exoplanets, we can also be doing a lot of other cool science as well. So Exoplanet Watch is actually funded and supported by NASA's Universal Learning, which is a NASA grant awarded to the Space Telescope Science Institute.

I just wanted to say thank you to them for their support this project. The Universal Learning is aiming to increase participation of the public in talking to subject matter experts in science and astronomy. And this is a partnership between Caltech IPAC, Center for Astrophysics, Harvard and Smithsonian, the Jet Propulsion Laboratory and Sonoma State University.

ERIC: So it's really exciting that we're able to detect these exoplanets at all, but typically when we hear about a new one discovered in the news, like you said, it's a giant space based observatory or something on the ground that's one of the world class telescopes. So how can it be that a backyard telescope that someone could set up and that's just six inches across, you can carry out to your backyard, how can that be able to detect evidence of an exoplanet?

ROB: Yeah, it's actually really incredible what these small telescopes can do, and really, the reason why we're able to observe so many exoplanets with even smaller telescopes is because, James Webb, Hubble, any future mission, we wanna get really high precision measurements with high signal to noise ratios. And to do that, we wanna look at bright stars because bright stars have a lot more photons, a lot more information, and they allow for very precise measurements.

But since these missions are looking at bright stars, these are also the same stars and same targets that are available to look at with small telescopes. So there's actually a bunch of different ground based surveys that are discovering transiting exoplanets. NASA launched a mission called Kepler a few years ago that discovered a few thousand exoplanets.

And right now, we have a satellite in orbit called TESS, which is gonna be discovering 10,000 new exoplanets. And these are primarily exoplanets that block out a lot of light from their host star, so it's a much easier signal to see, but they're also orbiting bright stars. These are targets that are accessible to small telescopes, for example, someone used a small DSLR camera, made a simple tracking mechanism, was able to actually to observe a transit, even just from a DSLR camera.

This work we've been doing, Exoplanet Watch, has mostly been brought to our attention by a project called DIY Planet Search, through the MicroObservatory telescopes. This is a network of six-inch telescopes that are robotically controlled, there's some in Tucson and some in Cambridge. I believe there's also one now in South America, where they are routinely doing astrophotography every single night, and one telescope is dedicated to observing transiting exoplanets.

And by looking at this data, I was just really blown away by the quality of the data. Even though it's from a small telescope, the star was even relatively dim, the tracking wasn't perfect, and yet at the end of the day, you've got this really, really precise high signal to noise ratio transit.

And this sort of made me think that if we can do this with this one six-inch telescope, then really, amateur astronomers that are awesome at astrophotography that wanted to observe another world, hundreds upon millions of miles away from us, can totally do so.

ERIC: And amateur astronomers have a really tight knit community, but they're also really passionate about what they do.

Have you talked to any of them? Are they excited about potentially contributing to research and discovering or characterizing exoplanets?

ROB: Yeah, yeah, it's been great working with amateur astronomers, I just got a message a few days ago that one told me that they were just amazed they're able to see a transit from their setup.

And conversely, we have a channel in our Slack channel where they're able to post all of their amazing astrophotos. And I'm always blown away about the quality of the nebula, the comets, the galaxies, that they're able to take themselves. So it's really a really rewarding experience for me and for them as well.

I'm finding that the amateur astronomer community, astrophotography communities are really excited to be able to contribute directly to NASA missions in this way.

ERIC: You mentioned that it's possible to observe a transiting exoplanet with just a camera, which really highlights how far technology has come in the last hundred years or so.

Scientists don't have to sit and stare through a telescope eyepiece anymore. It's all about capturing as much light as possible from your telescope on camera. So can you talk about the camera technology that makes this all possible?

ROB: Yeah, I would actually argue that digital cameras is one of the reason why exoplanet science has been possible.

So the idea of exoplanets, of planets orbiting around other stars external to our own solar system is not a brand new idea. This idea has been around for hundreds of years, even Isaac Newton when he wrote about his theory of gravity in Principia, postulated that there are other solar systems external to our own.

But it's only been the last 20 to 30 years that exoplanet science as a form of astronomy was really born, with the first discovery of an exoplanet in the mid-90s. And that's because our technology was able to advance to a point were we knew where to look and when to look and how to look.

And a lot of that advancement has come along through digital cameras. So previously, in astronomy, we took data, we took images on these large photographic glass plates. By taking data now, digitally on digital cameras, you can actually look at your data in real time. You can then achieve higher precision observations, you can more easily see the little dip in light, typically, on the order of about 1% at best of when a planet passes in front of a star.

So yeah, digital cameras really have revolutionized the field of astronomy and particularly exoplanetary astronomy.

ERIC: Now, Exoplanet Watch has amateur astronomers looking not just for these transits, but also just monitoring the stars over long periods of time to measure how their brightness might change for other reasons, okay?

So can you talk about that and why it's so important?

ROB: Yeah, so stars, just like our own sun, they have activity cycles, so our own sun has star spots. These are regions on the sun that are a little bit cooler to the magnetic activity. And what that does is it causes a star to become a little bit dimmer or a little bit brighter.

So if it has like a coronal mass ejection where it ejects a giant plume of plasma gas on space, that can cause a start to look a little bit brighter. Star spots can cause the star to look a little bit cooler, and our own sun goes under an activity cycle every decade or so of this inactivity versus activity.

And then, other stars, actually, similarly have activity cycles as well, and actually, some stars are many times more active than our own Sun. And the reason we care about assessing stellar variability is because it directly impacts the transit that you measure. So if a star gets a little bit brighter, that causes the transit depth to get a little bit smaller, you mistakenly would think the planet got a little bit smaller.

So what you have to do is you need to monitor these host stars over very long baselines, not just in the order of a few hours when the transit occurs, actually weeks, months, even years in some cases, cuz the activity cycles of these stars can be on the order of years.

And if you have a better grasp through observations enabled by small telescopes, hopefully participating in an Exoplanet Watch, we can then get a better grasp on how that activity changes and alters the observed signal of the exoplanet and then correct for it. And understanding stellar variability and correcting for it is absolutely crucial to pushing future telescopes to higher precision measurements, such as the James Webb Space Telescope, which will be taking these observations of planets orbiting potentially active stars.

ERIC: All right, how can our listeners find out more and follow along with the project or maybe even participate?

ROB: Yeah, so easiest way to do that is you can just google NASA Exoplanet Watch or go to exoplanets.nasa.gov/exoplanet-watch. And with this project, it's really open to everyone and anyone, we're trying to make this as accessible as possible.

If you don't have a telescope, we're actually working on ways right now to get you hooked up with some data we actually have on hand from those six-inch telescopes, as well as some other telescopes around the world. If you're interested, please contact us, we have a data reduction program out there.

We need help testing this, it comes with sample transit data, so you can actually download that and reduce your own transiting exoplanet data within minutes. I'm actually looking for community feedback as well on making this better, improving it, and truly opening this up to everyone and anyone

ERIC: All right, Dr. Zellem, thank you so much for talking with us, telling us about your project, and good luck in the search for exoplanets.

ROB: Great, thank you so much for having me, I really appreciate it.

ERIC: If you'd like to have one of your questions answered by a visiting expert or a Museum of Science educator, you can email them to sciencequestions@mos.org.

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That's it for this episode of Pulsar, join us again soon.

Español

ERIC: Desde el Museo de Ciencias de Boston, esto es Pulsar, un pódcast donde expertos responden las preguntas que ustedes nos envían. Soy su anfitrión, Eric; agradecemos a Facebook Boston por auspiciar este episodio de Pulsar.

En el episodio 27 hablamos de los exoplanetas, planetas que orbitan estrellas lejos de nuestro sistema solar.

Dijimos que los científicos han descubierto más de 4.000 exoplanetas, y muchas personas querían saber cómo los buscamos. Así que le preguntamos al Dr. Rob Zellem, del Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA, acerca de su nuevo proyecto, Exoplanet Watch, que les permitirá a los astrónomos aficionados utilizar sus propios telescopios para ayudar en la búsqueda de estos planetas lejanos.

Dr. Zellem, muchas gracias por acompañarnos hoy.

ROB: Sí, muchas gracias por invitarme; agradezco mucho esta oportunidad.

ERIC: Para empezar, ¿podría darnos una idea general de qué es Exoplanet Watch?

ROB: Sí; Exoplanet Watch es un proyecto científico ciudadano dirigido a astrónomos aficionados y otros científicos ciudadanos con el fin de observar exoplanetas en tránsito utilizando pequeños telescopios, es decir, telescopios de alrededor de seis pulgadas o incluso más pequeños.

El propósito de Exoplanet Watch es determinar con exactitud cuándo se da el tránsito de un exoplaneta. Un tránsito se da cuando, si miras una estrella, ocasionalmente, si tienes suerte, un planeta orbitará en frente de esa estrella y bloqueará su luz. Y entonces el planeta proyectará su sombra sobre la Tierra y, dependiendo de cuánta luz bloquee cuando pase frente a su estrella anfitriona, eso nos dirá cuán grande es el planeta en relación a la estrella.

Eso nos permite medir directamente el tamaño del exoplaneta. También se puede utilizar este método para observar y caracterizar las atmósferas de estos exoplanetas. Así, por ejemplo, si utilizamos un observatorio terrestre de grandes dimensiones, o el Hubble, o el telescopio espacial James Webb, o la misión ARIEL de la Agencia Espacial Europea, si utilizamos estos instrumentos y observamos la ocurrencia de un tránsito, podemos entonces observar también cómo la atmósfera del exoplaneta absorbe la luz de su estrella anfitriona.

Y si el planeta, por ejemplo, absorbe la luz a una longitud de onda de uno, podemos entonces inferir que ese planeta presenta metano en su atmósfera. Si vemos que ese planeta absorbe la luz con mayor fuerza a otras longitudes de onda, podemos inferir que ese planeta presenta dióxido de carbono o monóxido de carbono en su atmósfera.

Pero para utilizar el método del tránsito debemos saber con precisión cuándo ese planeta pasa frente a su estrella anfitriona, proyectando esa sombra sobre la Tierra. Y es aquí donde pueden contribuir de manera significativa los telescopios pequeños con este estudio, en el sentido de que los telescopios pequeños pueden determinar y predecir con precisión el momento en que ocurrirá el próximo tránsito.

Y al saber con precisión cuándo ocurrirán estos eventos, es posible utilizar telescopios grandes, como el James Webb o los observatorios terrestres, utilizarlos de manera más eficiente, lo que aportará más a la ciencia. Eso no solo hará que descubramos más exoplanetas, debido a que perderemos menos tiempo esperando que ocurra un tránsito, y podremos ver así más exoplanetas en tránsito, sino que también podremos beneficiarnos científicamente de muchas otras maneras.

Exoplanet Watch es financiado y auspiciado por el Universal Learning de la NASA, que es un subsidio que se concede al Instituto de Ciencia del Telescopio Espacial. Quería aprovechar este momento para agradecerles su apoyo a este proyecto. El Universal Learning pretende aumentar la participación del público para que hablen con expertos en el campo de la ciencia y la astronomía; y esta es una colaboración entre el Caltech IPAC, el Centro de Astrofísica, la Universidad de Harvard, el Instituto Smithsoniano, el Laboratorio de Propulsión a Chorro y la Universidad Estatal de Sonoma.

ERIC: El solo hecho de que podamos detectar estos exoplanetas es algo emocionante, pero normalmente cuando oímos en las noticias que se descubrió uno, como dijiste tú, se trata de un observatorio espacial gigantesco o uno terrestre de clase mundial, entonces, ¿cómo es posible que un telescopio de aficionados de tan solo seis pulgadas y que puedes instalar en el patio de tu casa pueda detectar evidencia de un exoplaneta?

ROB: Sí, es en verdad algo increíble lo que estos pequeños telescopios pueden hacer, y la razón por la que podemos observar tantos exoplanetas incluso con telescopios menores es porque, con el James Webb, el Hubble, en cualquier misión futura, queremos hacer mediciones de alta precisión con relaciones señal/ruido altas.

Y para hacer eso queremos observar estrellas brillantes, porque estas generan muchos más fotones, mucha más información, y nos permiten realizar mediciones muy precisas. Pero como estas misiones tienen como objetivo las estrellas brillantes, estas son las mismas estrellas y los mismos objetivos que se pueden ver con telescopios pequeños.

Así que existen numerosos estudios a nivel terrestre que están descubriendo exoplanetas en tránsito. La NASA lanzó una misión llamada Kepler hace unos años que descubrió algunos millares de exoplanetas. Y en este momento tenemos un satélite en órbita llamado TESS que descubrirá 10.000 exoplanetas nuevos. Y estos son exoplanetas que más que nada bloquean mucha de la luz producida por su estrella anfitriona, por lo que es una señal mucho más fácil de ver, pero estas también son estrellas brillantes que orbitan.

Estos son objetivos accesibles para los telescopios pequeños. Por ejemplo, alguien que utilizó una pequeña cámara DSLR y creó un sencillo mecanismo de rastreo, pudo observar un tránsito, a pesar de utilizar una simple cámara DSLR. Este trabajo que hemos estado realizando, el Exoplanet Watch, llamó nuestra atención sobre todo a partir de un proyecto llamado DIY Planet Search, a través de los telescopios del MicroObservatory.

Esta es una red de telescopios de seis pulgadas que se controlan robóticamente; algunos se encuentran en Tucson y otros en Cambridge. Creo que ahora también hay uno en América del Sur donde se practica la astrofotografía todas las noches y un telescopio se dedica a la observación de exoplanetas en tránsito.

Y al analizar esta información quedé muy impresionado con la calidad de la misma. Aunque provenía de un telescopio pequeño, la estrella era algo tenue y la detección no era perfecta, a fin de cuentas captamos con precisión este tránsito con una relación señal/ruido alta. Y esto me hizo pensar que si podemos hacer esto con un telescopio de seis pulgadas, entonces los astrónomos aficionados, que son excelentes en la astrofotografía y que querían observar otros planetas a cientos de millones de millas de distancia de nosotros, también pueden hacerlo.

ERIC: Y los astrónomos aficionados forman una comunidad muy unida, pero también sienten mucha pasión por lo que hacen. ¿Ha hablado con alguno de ellos? ¿Están entusiasmados con la posibilidad de contribuir a la investigación y el descubrimiento o la caracterización de exoplanetas?

ROB: Sí, sí, ha sido muy bueno trabajar con astrónomos aficionados.

Hace unos días recibí un mensaje donde uno me decía que estaban maravillados con el hecho de poder ver un tránsito desde donde se encontraban. Y, por otra parte, tenemos un canal en Slack donde pueden publicar todas sus increíbles astrofotos. Y siempre me sorprende la calidad de las fotos de nebulosas, cometas, galaxias que logran sacar.

Así que es una experiencia muy gratificante para mí y para ellos también. Estoy viendo que la comunidad de astrónomos aficionados, las comunidades de astrofotógrafos están muy entusiasmadas con la posibilidad de contribuir directamente con las misiones de la NASA de esta manera.

ERIC: Nos decía que es posible observar un exoplaneta en tránsito con tan solo una cámara, lo que demuestra cuán lejos ha llegado la tecnología en los últimos 100 años.

Los científicos ya no tienen que sentarse y mirar a través del visor de un telescopio. Hoy se trata de capturar en una cámara la mayor cantidad de luz posible desde un telescopio. ¿Puede hablarnos de la tecnología con la que cuentan estas cámaras que hace posible todo esto?

ROB: Sí, de hecho diría que las cámaras digitales son una de las razones que han hecho posible la ciencia de los exoplanetas.

La idea de los exoplanetas, planetas que orbitan alrededor de otras estrellas fuera de nuestro sistema solar, no es nueva. Esta idea ha estado entre nosotros durante siglos; incluso Isaac Newton, cuando escribió sobre su teoría de la gravedad en "Principia", postuló que existen otros sistemas solares aparte del nuestro.

Pero hace apenas unos 20 o 30 años que nació la ciencia de los exoplanetas como una rama de la astronomía, cuando a mediados de los años 90 se descubrió por primera vez un exoplaneta. Y eso se debió a que nuestra tecnología pudo avanzar hasta el punto en que sabíamos dónde, cuándo y cómo mirar.

Y muchos de esos avances se dieron gracias a las cámaras digitales. Antes, en astronomía, obteníamos información, capturábamos imágenes en estas grandes placas fotográficas de vidrio. Ahora, al captar información con cámaras digitales, podemos ver esa información de manera instantánea; podemos hacer observaciones más precisas; podemos ver con mayor facilidad las leves disminuciones de luz, normalmente del orden del 1 % en el mejor de los casos, cuando un planeta pasa frente a una estrella.

O sea que sí, las cámaras digitales han revolucionado el campo de la astronomía y en particular la astronomía exoplanetaria.

ERIC: Exoplanet Watch cuenta con estos astrónomos aficionados que no solo buscan estos tránsitos sino que también monitorean las estrellas durante largos períodos con el propósito de medir cualquier variación en su brillo debida a otras razones, ¿puedes hablarnos de ello y explicarnos por qué es tan importante?

ROB: Sí, las estrellas, al igual que nuestro sol, tienen ciclos de actividad. Nuestro sol presenta manchas solares. Estas son regiones en el sol que son algo menos calientes en relación a la actividad magnética, y esto hace que una estrella se vuelva un poco más o menos brillante. O sea, si esta produce una eyección de masa coronal en la que eyecta una columna gigante de plasma en forma de gas al espacio, eso puede hacer que la estrella se vea un poco más brillante.

Las manchas estelares pueden hacer que la estrella se vea un poco más fría, y el ciclo de actividad de nuestro sol tiene una duración de más o menos una década, cuando pasa de no presentar esta actividad a presentarla. Y otras estrellas, de hecho, también tienen ciclos de actividad, y algunas de ellas son mucho más activas que nuestro sol.

Y la razón por la cual nos preocupamos en medir la variabilidad de las estrellas es porque esta afecta directamente el tránsito que medimos. Así que si una estrella se vuelve algo más brillante, eso hace que la profundidad del tránsito disminuya un poco, y con ello podríamos pensar erróneamente que el planeta es algo más pequeño de lo que es.

Así que lo que debemos hacer es monitorear estas estrellas anfitrionas durante largos períodos, no solamente durante las horas en las que ocurre el tránsito sino durante semanas, meses, incluso años en algunos casos, porque los ciclos de actividad de estas estrellas pueden durar años. Y si tenemos una mayor compresión gracias a las observaciones posibilitadas por pequeños telescopios, con suerte de aquellos quienes participan en Exoplanet Watch, podemos entonces comprender mejor cómo cambia esa actividad y altera la señal observada del exoplaneta y así corregir eso.

Y entender la variabilidad estelar y hacer las correcciones necesarias es absolutamente crucial para hacer que los telescopios futuros realicen mediciones más precisas, como el telescopio espacial James Webb, que observará planetas que orbiten estrellas potencialmente activas.

ERIC: ¿Cómo pueden nuestros oyentes saber más del proyecto y seguirlo o quizás incluso participar del mismo?

ROB: Sí, la manera más fácil de hacerlo es hacer una búsqueda en Google escribiendo "NASA Exoplanet Watch" o visitar exoplanets.nasa.gov/exoplanet-watch. Y este proyecto está abierto a todo el mundo. Intentamos que sea lo más accesible posible. Si no tienen un telescopio, estamos ahora mismo trabajando para poner a su disposición información con la que contamos obtenida por esos telescopios de seis pulgadas, así como de otros telescopios de todas partes del mundo.

Si están interesados, pueden ponerse en contacto con nosotros, tenemos en marcha un programa de reducción de datos y necesitamos ayuda para probarlo; viene con una muestra de datos de tránsito, así que pueden descargar eso y reducir sus datos de tránsito exoplanetario en cuestión de minutos Mi objetivo es recibir las opiniones de la comunidad y hacer que esto sea mejor, mejorarlo, y hacer que esto esté abierto a todo el mundo.

ERIC: Muy bien, Dr. Zellem, muchas gracias por conversar con nosotros y contarnos acerca de su proyecto, y buena suerte en su búsqueda de exoplanetas.

ROB: Muy bien, muchas gracias por invitarme, se lo agradezco mucho.

ERIC: Si quieren que uno de los expertos que nos visitan o un educador del Museo de Ciencias responda sus preguntas, pueden enviarlas a sciencequestions@mos.org.

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