Crónica de un instrumento adelantado

Cuando alzamos la vista en una noche cualquiera, hay una estrella que destaca por su brillo: Sirio (o Alfa Canis Maioris) es la estrella más luminosa del cielo nocturno. Puede apreciarse a simple vista, situada en la constelación de Canis Maior. Tenemos conocimiento sobre la existencia de Sirio desde los albores de la civilización compleja: para los escandinavos era la antorcha de Loki, y en la India se relacionaba con Rudra, una deidad conocida como ‘el más poderoso de los poderosos’.  En realidad, Sirio es un sistema binario compuesto por dos estrellas blancas (una enana blanca y una de secuencia principal), que orbitan entre ellas a una distancia similar a la que existe entre el Sol y Urano. 

Nos separan 8.6 años luz de Sirio, pero en la Tierra hay un dispositivo que es capaz de detectar cambios en el movimiento de este sistema y su velocidad con una precisión de 1 metro por segundo: CARMENES es un instrumento diseñado para descubrir exoplanetas de pequeño tamaño, similares a la Tierra. Este proyecto es el resultado de un consorcio compuesto por casi 150 científicos e ingenieros y una decena de instituciones alemanas y españolas, además de una Infraestructura Científica y Técnica Singular (ICTS) del CSIC, el Observatorio de Calar Alto en Almería. 

CARMENES es un espectrómetro compuesto por dos canales, visible e infrarrojo. La luz se descompone en diferentes longitudes de onda dentro del espectro electromagnético, que van desde las menos energizantes, como las microondas o el radio, hasta las que más energía transportan, los rayos gamma. Los rangos visible e infrarrojo se encuentran a medio camino entre estos dos extremos: la luz visible es aquella que nuestros ojos captan de manera natural, y la infrarroja es la radiación que emite cualquier cuerpo por el hecho de tener temperatura. El espectrómetro de CARMENES recibe la radiación visible e infrarroja y la descompone para estudiarla. 

Espectro electromagnético. / Edición de Lucía Casas

La ciencia de CARMENES

Para detectar exoplanetas, CARMENES utiliza una técnica llamada de velocidades radiales. Este método se basa en el efecto Doppler: cuando un objeto se aleja del observador, la radiación que recibimos de él se desplaza a longitudes de onda más largas, algo que se aprecia como un “corrimiento” al color rojo. Cuando el objeto se acerca ocurre lo contrario; las ondas adquieren una longitud de onda más corta y se percibe un cambio hacia el azul. Esta variación es muy leve incluso cuando el objeto se mueve a velocidades muy altas, como es el caso de las estrellas. El ojo humano no puede siquiera observarlo, pero un espectrómetro sí es capaz de captar este efecto. 

Velocidad radial. /  Lucía Casas

Cuando un planeta orbita una estrella ejerce un ligero tirón gravitatorio; no solo la estrella lo está atrayendo: el planeta también ejerce esta atracción, mientras que ambos se mueven alrededor del centro de masas de su sistema. Con un espectrómetro como CARMENES se puede detectar el efecto Doppler de una estrella producido por el planeta o los planetas que orbitan a su alrededor, y no solo eso: También puede determinar la masa de estos. La tecnología de la cual disponemos todavía no es capaz de medir la velocidad radial producida en un sistema compuesto por un planeta de la masa de la Tierra y una estrella de tipo solar; de ahí que CARMENES se centre, sobre todo, en estrellas enanas rojas o estrellas de tipo M, mucho más pequeñas y menos luminosas. En sistemas formados por estas estrellas el efecto del tirón gravitatorio del planeta se aprecia con mayor facilidad.

Un instrumento sensible incluso al calor humano

CARMENES es un instrumento terrestre. Se ubica en el Observatorio de Calar Alto de Almería, un Centro Astronómico Hispano-Alemán (CAHA). La luz que recibe proviene del telescopio de tres metros y medio de diámetro, el emblema del Observatorio. Sin duda, el gran reto de CARMENES (y el de cualquier instrumento terrestre) es ser capaz de diferenciar la radiación que recibe del de la estrella y recibe a través del telescopio de aquella que proviene de las inmediaciones del espectrómetro. Para ser capaz de notar el sutil cambio de la velocidad radial de una estrella a años-luz de distancia, este instrumento debe ser muy sensible, pero también debe estar muy aislado para evitar que cualquier cambio en el ambiente ‘ensucie’ la señal que recibe. 

Sobre este aspecto, Pedro Amado, investigador del Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA-CSIC) y Co-Investigador Principal del consorcio CARMENES, comenta: “CARMENES está diseñado para evitar toda la luz parásita en el infrarrojo que provenga de objetos calientes. Este instrumento se encuentra aislado al vacío y enfriado con nitrógeno líquido a 140 kelvin (-133 ºC). El tanque que aísla al espectrógrafo está suspendido para evitar cualquier tipo de vibración en el suelo, ya que a la medida del instrumento le pueden afectar perturbaciones mecánicas o cualquier vibración, ya sea de la cúpula o de gente andando por el pasillo… También es muy sensible a las temperaturas, incluso si una persona entra en la sala donde está CARMENES, solo con su temperatura corporal podría afectar a las mediciones. Tenemos que tener en cuenta muchísimas variables para evitar que las medidas se CARMENES se vean afectadas”.

Doble visión para entender mejor el universo

CARMENES comenzó a escudriñar el cielo nocturno en busca de exoplanetas en 2016. Fue el primer instrumento que observó sistemas planetarios de manera simultánea en los rangos infrarrojo y visible. A día de hoy sigue siendo el único instrumento que incluye ambos canales. Amado recuerda: “Nuestra idea era utilizar el infrarrojo observando a la vez con el visible, así que nos lanzamos a la piscina y decidimos unir ambos canales y construirlos. La parte visible fue liderada más intensivamente por el equipo alemán y el infrarrojo lo construimos nosotros (desde el IAA-CSIC). CARMENES fue el primer instrumento que observó en ambos espectros a la vez y desde un mismo telescopio. Ahora mismo ya no se piensa en el paso intermedio, los esfuerzos se dirigen hacia construir estos dos espectrógrafos unificados”. Al utilizar los canales infrarrojo y visible, esta instrumento puede discriminar de manera mucho más evidente si la variación de la velocidad radial se debe a la existencia de un planeta o a la propia actividad de la estrella.

Además, CARMENES cuenta con el privilegio de disponer de un telescopio que le permite estudiar estos sistemas con mucho tiempo de observación, algo que para Amado resulta fundamental:

“Para el estudio de cualquier sistema astrofísico que requiera de mucho tiempo para poderse detectar y estudiar a fondo necesitas tiempo de observación. Los planetas orbitan alrededor de sus estrellas con un período, desde menos de un día hasta muchos años. Nosotros queremos estudiar todo tipo de planetas, pero si tienes un instrumento en un telescopio que solo te da un día al año no puedes estudiar básicamente nada. Si tienes varios días podrías intentar establecer cómo puede estar siendo la órbita de un exoplaneta, pero tu estimación podría tener muchos errores. Calar Alto nos permite hacer nuestro trabajo con un margen muy amplio”. 

Tras más de un lustro de observaciones, los resultados de CARMENES lo sitúan como un instrumento de primera categoría: en 2017, CARMENES descubrió su primer exoplaneta, HD 147379 b, algo más masivo que Neptuno y que orbita alrededor de una estrella enana en un sistema cercano al nuestro. Desde entonces, Calar Alto ha participado en detecciones pioneras de exoplanetas como el hallazgo de Kelt-9b, un planeta cuya atmósfera está siendo arrastrada y capturada por la fuerza gravitatoria de su estrella. También participó en el descubrimiento de una supertierra a tan solo seis años luz de la Tierra, en un sistema formado por una enana roja conocida como Barnard.

Comparación de la órbita de HD 147379 b con las órbitas del Sistema Solar. / IAA-CSIC

En 2019, CARMENES encontró mediante mediciones de velocidad radial dos planetas de tipo terrestre orbitando la estrella de Teegarden, una de las enanas rojas más pequeñas que se conocen. Para este hallazgo fueron necesarias más de doscientas mediciones debido a que, pese a encontrarse relativamente cerca del Sistema Solar (12,5 años luz), Teegarden emite muy poca luz; de hecho, hasta 2003 se desconocía su existencia. Los dos planetas detectados por CARMENES se encontrarían dentro de la zona de habitabilidad de su estrella; su detección supone un avance importante para la ciencia exoplanetaria ya que, hasta el momento, no son muchos los exoplanetas de tipo terrestre que conocemos, debido principalmente a que su baja masa hace que sea realmente difícil detectarlos. 

Ilustración  de los dos planetas de tipo terrestre detectados alrededor de la estrella Teegarden. / Univ. Goettingen
Recreación de Teegarden. / Centro Astronómico Hispano Alemán (Caha) y CienciaPlus

Otro de los grandes descubrimientos del espectrómetro fue, en 2019, la detección de un gigante gaseoso en torno a la enana roja GJ3512. Este sistema planetario es considerado una ‘rareza’, ya que desafía el modelo que actualmente explica la formación de planetas. Según este modelo, los planetas surgen a partir de pequeños núcleos rocosos en torno al disco protoplanetario de la estrella cuando esta es joven. A partir de cierta masa crítica, algunos planetas comienzan a acumular grandes cantidades de gas, alcanzando finalmente la masa de los gigantes gaseosos. Este “modelo de acumulación de núcleos” parece no ser aplicable en el caso de GJ3512, ya que para que un gigante gaseoso se forme es necesario disponer de un disco protoplanetario de gran masa, algo que no se ha observado en las estrellas enanas. La presencia de este planeta gigante puede indicar que, o bien el disco protoplanetario era anormalmente masivo, o quizás el modelo de acumulación de núcleos no puede aplicarse para este sistema. Ante la posibilidad de la segunda opción, se ha retomado otro modelo, “de inestabilidad de disco”, que sugiere que los gigantes gaseosos podrían formarse directamente por la acumulación de gas y polvo en el disco protoplanetario sin necesidad de tener que partir de un núcleo. El futuro de CARMENES es esperanzador, pero no menos que los resultados aportados hasta el momento. 

Jesús Aceituno, Director del Observatorio de Calar Alto, explica la ciencia de CARMENES. / Lucía Casas

El futuro del instrumento: CARMENES plus

La tendencia en Astrofísica es diseñar cada vez telescopios más grandes y sensibles. Lo primero, para poder viajar más “atrás” en el tiempo, llegando a lugares más lejanos en el universo. Lo segundo, para poder observar objetos que, si bien se encuentran cerca, emiten tan poca radiación que resulta muy difícil estudiarlos. Este futuro es ineludible para CARMENES y para el telescopio de 3.5 metros de Calar Alto, que tendrá que competir con auténticas proezas tecnológicas como el ELT (Extremely Large Telescope) de 39 metros de diámetro que se está construyendo en el Desierto de Atacama. Para afrontar este gran reto, el equipo científico de CARMENES trabaja bajo un parámetro, tal como resume Amado: 

“Queremos que el instrumento sea competitivo mejorando su precisión, y para ello tenemos que estabilizar más el espectrógrafo, es decir, hacer que su ambiente sea más seguro eliminando aún más el ruido que pueda estar limitando las mediciones del instrumento”. 

Un nuevo viaje

La investigación básica es necesaria. En nuestro empeño por responder preguntas tan trascendentales y antiguas como saber si estamos o no solos en el universo, la labor de instrumentos como CARMENES es decisiva y nos guía a comprender no solo lo que hay “fuera”, sino también el significado de nuestro propio origen. El siguiente reto de la ciencia exoplanetaria será caracterizar las atmósferas de los exoplanetas que instrumentos como CARMENES han detectado para conocer los elementos químicos que las conforman y, quizás, los biomarcadores que nos puedan indicar la existencia de vida de algún tipo. Amado vislumbra el futuro con optimismo: “Yo creo que hay algo que nos motiva a muchos a hacer este trabajo: Finalmente averiguar si hay vida fuera de la Tierra. Hace años pensábamos que el Sistema Solar era único y que, por tanto, solo existía vida en nuestro planeta. Quizás dentro de otros diez años o bien hemos encontrado vida en otro planeta del Sistema Solar o bien encontraremos biomarcadores en exoplanetas que solo puedan deberse a la existencia de vida. Yo con eso me conformaría; saber que hay vida más allá de nuestro planeta…”. 

Crea tu sitio web con WordPress.com
Comenzar