Inner Workings: All eyes on Proxima Centauri b

---

INNER WORKINGS

All eyes on Proxima Centauri b

Adam Mann,

Science Writer

An Earth-sized planet next door: that was the startling

announcement last August. Astronomers had found

an exoplanet orbiting the sun

’s closest stellar neigh-

bor, a cool red dwarf star called Proxima Centauri (1).

Even better, the nearby world orbited within its parent

star

’s habitable zone, meaning liquid water could exist

on the planet

’s surface, which raised the prospects for

its harboring life.

But aside from its mass

—at least 1.3 times that of

Earth

’s—and the length of its year—a zippy 11 days—

little was known about the new exoplanet, called Prox-

ima Centauri b. Almost immediately, a rush of papers

appeared, presenting ways to estimate Proxima b

’s

temperature, atmospheric composition and thickness,

and even whether a worldwide ocean spans its sur-

face. The proposed methods are extraordinarily tricky,

pushing the boundary of what

’s possible.

“This planet is so good, so optimum, and so close

to us, that using state-of-the-art technology we [can]

demonstrate that it

’s not science fiction to do these

observations,

” says astronomer Christophe Lovis of the

University of Geneva in Switzerland. With two recently

discovered systems garnering ample headlines

—the

potentially habitable planets near the star TRAPPIST-1

and a super-Earth orbiting the red dwarf LHS 1140

—

Proxima b offers a test case for how astronomers might

take the first steps toward closer inspection of planets

that seem to be prime candidates for life (2, 3).

In the future, enormous ground-based telescopes

and specially designed space-based ones will allow

astronomers to image exoplanets like Proxima b di-

rectly, providing unparalleled information about them.

And with the world a mere 4.25 light-years from Earth, a

few dreamers are starting to think bigger. A project

called Breakthrough Starshot hopes to figure out if it

is possible to accelerate a flotilla of extremely small

satellites to one-fifth the speed of light and reach the

Proxima Centauri system in only a couple of decades.

“You see the stars at night and wonder if we can

visit them,

” says theoretical physicist Abraham Loeb of the

Proxima b, shown here in an artist

’s conception orbiting the red dwarf star Proxima Centauri, may prove to be a test

case for how astronomers conduct initial inspections of potentially habitable planets. Original image courtesy of ESO/M.

Kornmesser; retouched version courtesy of Wikimedia Commons/Karl 432.

6646

–6648 | PNAS | June 27, 2017 | vol. 114 | no. 26

www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1706680114

INNE

R

W

O

R

KI

NGS

---

Harvard

–Smithsonian Center for Astrophysics in

Cambridge, Massachusetts.

“This could be the next ma-

jor leap forward; not just visiting a place like Mars or the

moon, but doing something that is quite extraordinary.

”

In Our Sights

Part of a triple star system

—along with the larger,

yellow, sun-like twins Alpha Centauri A and B

—Proxima

and its kin have been subject to intensive exoplanet

searches ever since astronomers have had the capa-

bility to do so. But Proxima Centauri is particularly

finicky for these kinds of investigations. As a red dwarf,

it is much more active than stars like our sun, throwing

off energetic stellar flares that can interfere with as-

tronomers

’ readings. “You’re trying to look for little

blips around the star but it

’s like someone’s got ahold

of the dimmer switch and they

’re playing around with

it,

” says astronomer David Kipping of Columbia Uni-

versity in New York.

A team led by astronomer Guillem Anglada-

Escud ´e, of the Queen Mary University of London in

England, was able to spot Proxima b by running an

algorithm on several years

’ worth of archival data from

the Very Large Telescope (VLT) and the High Accuracy

Radial velocity Planet Searcher (HARPS) instrument at

the La Silla Observatory, both of which are overseen

by the European Southern Observatory in Chile. The

analysis yielded compelling clues for a planet, which

the researchers then followed up on with a rigorous

months-long observational campaign in early 2016.

The astronomers spotted a tiny periodic wobble in the

light from Proxima Centauri, indicating that a planet

was tugging gravitationally on the star. Though some

astronomers were initially skeptical, the data were

robust enough to win over critics.

“I heard about this potentially habitable planet

through the press and said

‘Yeah, yeah, sure,’” says

astrophysicist Laura Kreidberg of Harvard University in

Cambridge, Massachusetts.

“And then I saw the paper

and said,

“Oh wow, this is actually legit.”

Soon thereafter, Kreidberg published a paper with

Loeb on how to answer one of the first important

follow-up questions for Proxima b: whether it has an

atmosphere (4). During the first billion or so years of

their lives, red dwarf stars shine far brighter in UV and X-

ray radiation than they do later on, blasting any orbiting

planets. Furthermore, a planet like Proxima b is so close

to its parent star that it is likely to be tidally locked,

meaning one side is always turned to the burning sun

while the other faces the darkness of space. Combined

with the excessive flaring problem, this increases the

chances that atmospheres of these sorts of rocky worlds

can burn off long before life can develop.

Astronomical Answers

The upcoming James Webb Space Telescope (JWST),

scheduled to launch next year, could test Proxima b

’s

atmospheric retention abilities. As the exoplanet or-

bits, viewers on Earth will see different parts of it illu-

minated, much like the moon changing phases in the

night sky. JWST

’s infrared capabilities will be able to

capture the combined thermal emission from both the

star and planet, which should vary sinusoidally as the

little world goes through phases during its 11-day orbit.

An airless body will show wild temperature swings;

the sunlit side of the moon can reach 117 °C, whereas

its dark side remains at

–179 °C. In contrast, an at-

mosphere will efficiently move heat around: day

–night

temperature differences on our planet can be as little

as a few degrees. The signal would be a good proxy

for atmospheric thickness; a tenuous Mars-like atmo-

sphere wouldn

’t redistribute heat as well as a denser

Earth-like one.

Like any world, Proxima b is reflective. As starlight

bounces off its surface, it could pass through a hypo-

thetical atmosphere, imparting information about the

gases present. The trouble is that Proxima Centauri

is about 10 million times brighter than its planetary

companion, so the planet

’s reflected light is com-

pletely washed out in the star

’s glare. Working with

astronomer Ignas Snellen, of the University of Leiden in

the Netherlands, Lovis came up with the idea of using a

two-part system at the VLT to tease out Proxima b

’s

secrets (5).

First, the researchers will use a sophisticated adap-

tive optics instrument called Spectro-Polarimetric High-

contrast Exoplanet Research (SPHERE), which cor-

rects for the turbulence in Earth

’s atmosphere that

blurs telescopic images, creating a much clearer

picture of the star and planet together.

“Instead of

having a planet that

’s 10 million times fainter, we

will have a planet that

’s 1,000 times fainter,” says

Lovis.

“Which is still 1,000 times, but it’s already

much better.

”

The data will then be passed through the Echelle

SPectrograph for Rocky Exoplanet and Stable Spec-

troscopic Observations (ESPRESSO) instrument, which

can disentangle the planet

’s light from the star’s using

an ingenious trick. When a body emitting radiation

moves, the radiation

’s wavelength will grow longer

as it travels away from an observer and shorter as it

comes closer, an effect known as a Doppler shift.

Although the starlight from Proxima Centauri will

remain constant, the reflected light from Proxima b

will get ever-so-slightly Doppler-shifted as it travels

through its orbit, an effect that ESPRESSO can detect

to unravel the two light effects from one another and

hence provide astronomers a peek at the planet

’s

molecular make-up. Biosignature molecules, such as

oxygen and water vapor, would make for exciting

findings.

The technique could also capture small changes in

reflectivity as the planet rotates. An ocean on Proxima

b would act like a mirror, creating a bright glint that

“You’re trying to look for little blips around the star but

it

’s like someone’s got ahold of the dimmer switch and

they

’re playing around with it.”

—David Kipping

Mann

PNAS | June 27, 2017 | vol. 114 | no. 26 | 6647

---

the VLT might potentially observe. Getting SPHERE

and ESPRESSO up to such challenges will require

upgrades, including a new coronagraph in SPHERE

and an optical fiber link between the instruments, but

Lovis and Snellen think they should be able to provide

the first information about Proxima b

’s composition

and surface features within 3

–5 years.

Pioneering Planet

In many ways, Proxima b will be a trailblazer. The

exoplanet does not appear to eclipse its parent star,

meaning starlight can

’t filter through any potential

atmosphere (6). But the methods described above

don

’t rely on such light, making them applicable to

rocky worlds around other nearby red dwarf stars and

complementary to techniques used for transiting

exoplanets, such as those at TRAPPIST-1 (7). For nearby

stars, the odds of finding a transiting Earth-sized exo-

planet in the habitable zone is low,

“less than 2 per-

cent,

” says astrophysicist Jayne Birkby, also of the

Smithsonian Center for Astrophysics.

“So if we really

want to understand our local neighborhood of exo-

planets, we need all these techniques to work.

”

The best characterization, though, may be several

more years away. In the 2020s, a new generation of

ground-based observatories, such as the Thirty Meter

Telescope, Giant Magellan Telescope, and European

Extremely Large Telescope will begin focusing on

nearby exoplanets with their huge mirrors. The Wide

Field Infrared Survey Telescope, a space-based ob-

servatory scheduled to launch in the mid-2020s, might

similarly use an enormous petal-like screen, known as

a starshade, to selectively filter out Proxima Centauri

’s

light and see the exoplanet. Beyond that, the astro-

nomical community hopes to select either the Habit-

able Exoplanet Imager or the Large UV Optical and

Infrared telescope to fly in the 2030s, either of which

would be direct exoplanet imaging powerhouses.

But perhaps the most audacious scheme devised

for Proxima b is Breakthrough Starshot, announced in

April 2016, even before the exoplanet was discov-

ered. Based on previously published ideas, the project

would shoot centimeter-sized spacecraft with a 50-

gigawatt laser, imparting each with the same thrust as

the Space Shuttle at launch (6). The laser light would

push a solar sail, a highly reflective extremely thin

sheet, attached to each nanocraft, accelerating them

toward the Proxima Centauri system. The initiative

began with $100 million from Russian venture capi-

talist Yuri Milner. Loeb, who chairs the project

’s advi-

sory committee, says they hope to use the next 5 years

to identify whether such a mission is feasible while

also working on developing some of the necessary

technology.

“I think if it works and human ingenuity is up to the

task, it would be a tremendous return,

” says Kipping,

who is not involved in the initiative.

“There’s only so

much you can do from 4 light-years away.

”

1 Anglada-Escud ´e G, et al. (2016) A terrestrial planet candidate in a temperate orbit around Proxima Centauri. Nature 536:437–440.

2 Gillon M, et al. (2017) Seven temperate terrestrial planets around the nearby ultracool dwarf star TRAPPIST-1. Nature 542:456–460.

3 Dittmann JA, et al. (2017) A temperate rocky super-Earth transiting a nearby cool star. Nature 544:333–336.

4 Kreidberg L, Loeb A (2016) Prospects for characterizing the atmosphere of Proxima Centauri b. Astrophys J Lett 832:L12.

5 Lovis C, et al. (2017) Atmospheric characterization of Proxima b by coupling the SPHERE high-contrast imager to the ESPRESSO

spectrograph.

Astron Astrophys 599:A16.

6 Kipping D, et al. (2017) No conclusive evidence for transits of Proxima b in MOST photometry. Astron J 153:93–112.

7 Lubin P (2016) A roadmap to interstellar flight. JBIS J Br Interplanet Soc 69:40–72.

6648 | www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1706680114

Mann