The SPIRou Legacy Survey: Detection of a nearby world orbiting in the habitable zone of Gl725B achieved by correcting strong telluric contamination in near-infrared radial velocities with WAPITI

Resumen Técnico: La detección de un mundo cercano orbitando en la zona habitable de Gl 725 B se logró mediante la corrección de una fuerte contaminación telúrica en velocidades radiales de infrarrojo cercano con wapiti

Planteamiento del problema
La detección de exoplanetas de baja masa alrededor de enanas M utilizando mediciones de velocidad radial (RV) en el infrarrojo cercano (NIR) se ve obstaculizada por fuertes líneas de absorción telúrica de la atmósfera terrestre. Estas líneas, causadas principalmente por vapor de agua, metano, dióxido de carbono y oxígeno, no comparten el desplazamiento Doppler estelar e introducen ruido sistemático que puede enmascarar señales planetarias. Este desafío se ve exacerbado para objetivos con una cobertura limitada de la velocidad radial bariocéntrica de la Tierra (BERV), donde la modulación de las líneas telúricas es insuficiente para distinguir estas de las señales estelares reales. La estrella Gl 725 B, una enana M tardía cercana a 3,5 pc, presenta tal caso con un estrecho rango de BERV de menos de 5 km·s⁻¹, lo que dificulta la separación de los residuos telúricos de las señales de RV planetarias utilizando técnicas de corrección estándar.

Metodología
Los autores utilizaron observaciones de alta precisión de RV en el NIR de Gl 725 B, obtenidas con el espectropolarímetro SPIRou en el Canada-France-Hawaii Telescope (CFHT) entre 2019 y 2022. El análisis empleó los siguientes pasos metodológicos:

1. Reducción y extracción de datos: Los espectros fueron procesados mediante el pipeline APERO. Las RV se extrajeron utilizando el método de Línea por Línea (LBL), el cual rastrea líneas espectrales individuales para mejorar la sensibilidad para enanas M en comparación con las técnicas de correlación cruzada.
2. Simulación de efectos telúricos: Para cuantificar el impacto de la cobertura limitada de BERV, los autores simularon la contaminación telúrica sobre un molde estelar limpio (derivado de Gl 905, que posee una amplia cobertura de BERV). Inyectaron residuos telúricos realistas (3 ± 1%) en el molde y generaron series temporales de RV tanto para escenarios de BERV estrecho (Gl 725 B) como de BERV amplio.
3. Aplicación de wapiti: El estudio aplicó wapiti (Weighted principAl comPonent analysIs reconsTructIon), un método basado en datos de Análisis de Componentes Principales ponderado (wPCA). Este método identifica y elimina efectos sistemáticos de las RV por línea seleccionando componentes principales específicos que actúan como sustitutos (proxies) de los sistemáticos (por ejemplo, residuos telúricos) en lugar de simplemente eliminar los componentes principales.
4. Pruebas de inyección-recuperación: El rendimiento de wapiti se evaluó mediante pruebas de inyección-recuperación en datos simulados, inyectando señales planetarias con diversos periodos y semi-amplitudes para evaluar las tasas de detección y la recuperación de la amplitud.
5. Modelado de actividad estelar: Para desenredar las señales planetarias de la actividad estelar, se empleó un marco de Procesos Gaussianos (GP) multidimensional. Este modelo ajustó simultáneamente los datos de RV y los indicadores de actividad (temperatura efectiva diferencial, dET, y campo magnético longitudinal, Bℓ) utilizando un núcleo periódico exponencial de Matérn 3/2.
6. Búsqueda de señales: Se utilizó un enfoque de periodograma bayesiano iterativo para buscar señales significativas en las RV corregidas por wapiti, añadiendo secuencialmente componentes planetarios al modelo.

Contribuciones clave y resultados

• Validación de wapiti: Las simulaciones demostraron que incluso modestos residuos telúricos (a nivel de porcentaje) inducen señales de RV espurias, particularmente en escenarios de BERV estrecho. El método wapiti corrigió con éxito estos sistemáticos, mejorando significativamente la detectabilidad de señales planetarias de baja amplitud y permitiendo una recuperación precisa de las semi-amplitudes en las pruebas de inyección-recuperación.
• Detección de un sistema de dos planetas: La aplicación de wapiti al conjunto de datos real de Gl 725 B reveló un sistema de dos planetas:
  • Gl 725 Bc (Confirmado): Un planeta con un periodo orbital de 37,90 ± 0,17 días y una semi-amplitud de 1,7 ± 0,3 m·s⁻¹. Tiene una masa mínima de 3,5 ± 0,7 M⊕ y se encuentra dentro de la zona habitable de su estrella anfitriona.
  • Gl 725 Bb (Candidato): Una señal de periodo más corto de 4,765 ± 0,004 días con una semi-amplitud de 1,4 ± 0,3 m·s⁻¹ y una masa mínima de 1,5 ± 0,4 M⊕. Aunque es estadísticamente significativa en el análisis inicial, los autores señalan que esta señal es más sensible a la elección de las correcciones de punto cero nocturnas y actualmente se clasifica como candidata a la espera de mayor confirmación.
• Caracterización estelar: El análisis produjo un periodo de rotación estelar refinado de 105,1 ± 3,3 días, derivado del modelado GP multidimensional de las RV y los indicadores de actividad. Este periodo se utilizó para estimar una edad estelar de 8,7 ± 2,1 Gyr.
• Arquitectura del sistema: El sistema se describe como una arquitectura "ordenada" (la masa aumenta con la distancia orbital), una configuración señalada como rara en simulaciones pero más común en muestras observadas.
• Análisis de tránsito: No se detectaron tránsitos en la fotometría de TESS. Las pruebas de inyección-recuperación indicaron que, aunque los tránsitos para Gl 725 Bc habrían sido detectables si el planeta fuera mayor de ~1,2 R⊕ y la inclinación estuviera cerca de 90°, la baja probabilidad de tránsito (0,9% para Bc, 3,7% para Bb) y los radios predichos sugieren que los planetas son probablemente no transitantes.

Significancia
El artículo afirma que la detección de Gl 725 Bc representa el segundo planeta conocido más cercano de tipo Tierra o supertierra ubicado en la zona habitable de su estrella, después de Proxima b. El estudio destaca el papel crítico de los métodos avanzados de corrección telúrica como wapiti para permitir la detección de planetas de baja masa alrededor de estrellas con pobre cobertura de BERV, una restricción común para las enanas M cercanas.

Los autores enfatizan que, si bien Gl 725 Bc es un objetivo primordial para la caracterización atmosférica mediante coronografía de alta dispersión (HDC) o misiones espaciales como LIFE, su declinación norte y las restricciones específicas de BERV del sistema plantean desafíos para las instalaciones actuales del sur (por ejemplo, ELT). El trabajo subraya la necesidad de espectrógrafos de alta resolución capaces de una corrección telúrica precisa (R > 70,000) o de observatorios espaciales para caracterizar completamente tales mundos en la zona habitable. La detección respalda la hipótesis de que los sistemas planetarios ordenados pueden ser más prevalentes de lo que las simulaciones predicen anteriormente.