CARMENES: Calar Alto preparado para cazar Exotierras
Artículo publicado originariamente en Naukas hoy, 17 de diciembre de 2015.
El pasado noviembre se hicieron las primeras pruebas del instrumento CARMENES en el telescopio de 3.5m del Observatorio Hispano-Alemán de Calar Alto. CARMENES tiene como objetivo principal el detectar planetas de tipo terrestre alrededor de estrellas de baja masa. Hoy se publica una nota de prensa conjunta entre todas las instituciones que participan en CARMENES informando que el instrumento está ya preparado para comenzar a recoger datos científicos, y comenzará a hacerlo el día de Año Nuevo de 2016.
En este artículo recopilo las características más destacadas del instrumento CARMENES gracias a la información detallada que me proporciona José Antonio Caballero, astrofísico del Centro de Astrobiología (CAB) del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) y segundo mánager del proyecto CARMENES. Asimismo dedico la última sección para describir el recorrido científico de José A. Caballero, con quien me une una gran amistad, y su situación actual como investigador español que, de nuevo y tras 10 años de estancia en España, se ve obligado a emigrar al extranjero para poder continuar con su labor científica.
La búsqueda de exoplanetas
A fecha de hoy, la Enciclopedia de los Exoplanetas compila los datos de los 2030 planetas alrededor de otros soles que hemos detectado hasta ahora. El primer exoplaneta descubierto orbitando una estrella, 51 Pegasi b (o “Dimidio”, como la Unión Astronómica Internacional bautizó oficialmente esta semana (1) al planeta siguiendo los designios de la votación popular de #NameExoWorlds) se descubrió en 1995. Esto es, en dos décadas hemos pasado de no estar seguros de que existiesen planetas alrededor de otras estrellas a conocer miles de ellos. No obstante, los investigadores aún están intentando entender cómo y dónde se forman los planetas, qué propiedades tienen los sistemas planetarios y las estrellas que los albergan, e incluso qué condiciones se deben cumplir para que un exoplaneta pueda llegar a sustentar la vida.
¿Cómo se detectan los exoplanetas? Hacerlo de forma directa es muy difícil, dado que la estrella brilla millones de veces más que el exoplaneta, y la distancia angular entre ambos cuerpos es muy pequeña. Siempre me ha gustado la analogía de intentar “ver” un céntimo de euro pegado al foco de un estadio de fútbol desde decenas de kilómetros de distancia, incluso con el mejor telescopio esto sería casi imposible de conseguir. Para detectar exoplanetas con imágenes directas ocurre esencialmente lo mismo. Así, la mejor forma que tenemos los astrofísicos para encontrar mundos orbitando a otras estrellas es mediante la observación de tránsitos (el exoplaneta pasa delante de la estrella, ocultando parte de su luz) o mediante el análisis detallado de la velocidad radial (búsqueda de pequeñas variaciones periódicas en el movimiento de la estrella ocasionadas por el débil, pero medible, empuje gravitatorio de un planeta).
Métodos de detección de exoplanetas: por tránsitos (fotometría) o por velocidad radial (espectroscopía). Crédito: Código OSCAAR de fotometría astronómica amateur y ESO.
El satélite Kepler (NASA), puesto en órbita en 2009, utiliza el método de los tránsitos para detectar exoplanetas. A este ingenio espacial le debemos más de la mitad de descubrimientos de exoplanetas que conocemos en la actualidad. Sin embargo, para detectar un exoplaneta mediante el método de los tránsitos es condición necesaria que, visto desde la Tierra, éste “pase” delante de la estrella. Este requerimiento no se aplica a la hora de buscar exoplanetas a través del estudio de la velocidad radial. Para medir las pequeñas variaciones en velocidad radial en estrellas con planetas (estamos hablando de variaciones del orden de un metro por segundo en algunos casos) se necesita una tecnología puntera que permita no sólo conseguir observaciones espectroscópicas estables y de gran resolución espectral sino también observar en colores del infrarrojo, que es el rango espectral en el que las estrellas más frías y menos masivas emiten su mayor cantidad de luz.
Hasta la fecha, cada pocos años y gracias a nuevos instrumentos, se ha ido “bajando” la masa límite de detección de exoplanetas con este método: de sólo detectar gigantes gaseosos tipo Júpiter a llegar a encontrar exoplanetas con masa sólo unas pocas veces mayor que la terrestre. Aunque Kepler ha encontrado varios casos de exoplanetas con masas similares a la Tierra, ninguno de ellos pueden denominarse aún “exotierras” de forma estricta. Muchas de las detecciones son tránsitos ruidosos encontrados sólo un poco por encima del límite de precisión fotométrico, y ninguno de ellos se han confirmado con otros espectrógrafos usando el método de velocidad radial. Además, sólo un par de detecciones de Kepler localizan al planeta dentro de la “zona de habitabilidad” de la estrella (región de la estrella donde, en el caso de tener un planeta, podría existir agua líquida en su superficie). Es probable que algunos de los candidatos a exotierra detectados por Kepler sean en realidad “supertierras”, planetas con 4 ó 5 masas terrestres, y posiblemente oceánicos. Así, ¿quién encontrará la primera exotierra de forma inequívoca?
¿Qué es el instrumento CARMENES?
Es aquí donde entra en juego el instrumento CARMENES, acrónimo de “Calar Alto high-Resolution search for M dwarfs with Exoearths with Near-infrared and optical Échelle Spectrographs” o, dicho en palabras sencillas por José A. Caballero, una "máquina para descubrir planetas parecidos a nuestra Tierra, alrededor de las estrellas más abundantes (y también más cercanas, pequeñas y frías)”. En efecto, el objetivo científico fundamental de CARMENES es observar alrededor de 300 estrellas frías (enanas de tipo M) y conseguir detectar planetas de masa similar a la terrestre en sus zonas habitables. Pero CARMENES puede ser usado para muchos otros proyectos científicos, como astrosismología (estudio de los “terremotos estelares”) o el análisis detallado de la composición química de estrellas y nebulosas de nuestra Galaxia.
Telescopio Zeiss de 3.5m del Centro Astronómico Hispano-Alemán de Calar Alto (CAHA), donde está instalado el nuevo instrumento CARMENES para la búsqueda de exotierras. Crédito: Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA).
CARMENES se ha instalado en el telescopio Zeiss de 3.5m del Centro Astronómico Hispano-Alemán de Calar Alto (CAHA). Este observatorio está situado en la Sierra de los Filabres (Almería) y es operado conjuntamente por la Sociedad Max-Planck (MPG) y el Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) a través del Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA-CSIC). El telescopio Zeiss de 3.5 metros, inaugurado en 1984, continúa siendo el mayor telescopio óptico de la Europa Occidental continental. El instrumento CARMENES usa fibras ópticas para llevar la luz del telescopio (en su foco Cassegrain) hasta sus detectores, empleando dos brazos independientes para estudiar a muy alta resolución espectral los rangos óptico (cámara VIS, con una CCD de alta tecnología) e infrarrojo cercano (cámara NIR, que posee un detector especial del tipo CMOS) del espectro electromagnético.
Así, CARMENES cubre a la vez el rango espectral comprendido entre los 5500 y los 17000 angstroms, alcanzando precisiones de 1 metro por segundo en velocidad radial. La división entre ambos brazos está a 9500 angstroms, que es a la longitud de onda a la que se separa la luz óptica e infrarroja en el instrumento. Ambos detectores están dentro de criostatos sólo ligeramente por encima de la temperatura del nitrógeno líquido (80 K, esto es, -193 grados centígrados). Además, la opto-mecánica del canal NIR está incluida en un cilindro de aluminio de casi 3 metros que está enfriado por un sistema experimental de nitrógeno gaseoso y opera a 140 K (-133 grados centígrados). En cualquier caso, la estabilidad térmica de ambas cámaras es de sólo 0.01 grados, algo que es muy importante para la viabilidad de las observaciones.
Ensamblaje del canal infrarrojo cercano del instrumento CARMENES en el Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA-CSIC), en Granada (España) antes de ser trasladado al Observatorio de Calar Alto. Crédito: Consorcio CARMENES.
Fruto de un consorcio internacional de once instituciones alemanas y españolas (2), involucrando a casi 140 ingenieros y científicos, y tras cinco años de preparación, CARMENES superó con éxito su fase de pruebas en el telescopio a finales de noviembre, y ya está listo para comenzar su fase científica el primer día de 2016. No en vano, el Observatorio de Calar Alto ha garantizado un mínimo de 600 noches de observación para CARMENES en los próximos tres años. Así, Calar Alto se ha situado a la vanguardia de la instrumentación astronómica, y se convertirá en una referencia internacional en la búsqueda de planetas del tipo terrestre.
Taque de vacío conteniendo el espectrógrafo infrarrojo de CARMENES. Este tanque es idéntico al que se ha diseñado para el brazo óptico. Ambos tienen unos 3 metros de largo y un diámetro de 1.5 metros, con los componentes optomecánicos en su interior. Cada tanque de vacío está en una sala climatizada para mantener la temperatura muy estable. Crédito: Consorcio CARMENES.
¿Por qué estrellas enanas rojas?
CARMENES está especializado en observar estrellas enanas rojas (enanas M) por varios motivos. Primero, porque el efecto gravitatorio que tiene un planeta sobre este tipo de estrellas es mayor que el que tiene sobre estrellas del tipo solar: éstas son más masivas que las estrellas enanas rojas, por lo que un planeta del tipo terrestre ejercerá menos empuje gravitatorio que el que induciría sobre una estrella enana. Además, las estrellas enanas M ofrecen las condiciones para la existencia de agua líquida en órbitas cercanas. Los planetas en órbitas cercanas son mucho más fáciles de detectar que planetas localizados en órbitas lejanas, de nuevo porque el empuje gravitatorio de éstos sobre la estrella es menor que aquellos. Por último, el tiempo de vida de las enanas rojas es muy largo (varias decenas de miles de millones de años), lo que proporcionaría gran estabilidad para sus posibles sistemas planetarios, constituyendo a su vez una condición necesaria para el desarrollo biológico a largo plazo.
Primera imagen obtenida con la cámara infrarroja del instrumento CARMENES en el Telescopio de 3.5m del Observatorio de Calar Alto. Se trata de un espectro de la estrella EV Lac, de clase espectral M3.5V, obtenida el 7 de noviembre de 2015. Crédito: José A. Caballero (CAB-CSIC).
Es precisamente por esto por lo que CARMENES se ha construido de forma que pudiera observar a la vez el rango óptico y el rango del infrarrojo cercano. La combinación de los dos espectrógrafos proporcionará mucha más información que la que daría por separado cada uno de ellos, permitiendo distinguir claramente el movimiento ocasionado por un exoplaneta de otros efectos, como la aparición de manchas en la superficie de la estrella (las estrellas tipo M suelen poseer bastante actividad en su superficie). Los científicos esperan descubrir docenas de planetas potencialmente habitables con CARMENES y, al menos, un par de exotierras.
Para decidir qué objetos observar, los investigadores de CARMENES llevan años recopilando las características (coordenadas, movimientos propios, tipos espectrales, parámetros físicos, composición química, indicadores de actividad, datos fotométricos desde el ultravioleta al infrarrojo medio, velocidades radiales, rotacionales y galactocéntricas, entre otros muchas) de un gran número de estrellas enanas rojas del tipo M, creando el catálogo más extenso sobre estos objetos que se conoce, al que han bautizado como “Carmencita”. Para ello han necesitado multitud de observaciones usando diversos telescopios, incluso datos del Observatorio Virtual. De ahí se han seleccionado 300 estrellas M a monitorizar durante los próximos tres años usando CARMENES a la caza de planetas de tipo terrestre.
Porción del espectro de la estrella de Luyten (GJ 273) en la parte roja del espectro óptico obtenido por la cámara VIS de CARMENES (en azul). Se aprecian distintas líneas de absorción en el espectro de esta estrella (una enana roja de tipo M a 12 años luz del Sol) con las que se pueden estudiar sus características físicas y composición química. Al comparar el desplazamiento de las líneas espectrales con un espectro de calibración (en rojo) se puede determinar la velocidad radial a la que se desplaza la estrella con una precisión de 1 metro por segundo. Crédito: Consorcio CARMENES.
CARMENES parte así con una gran ventaja sobre otros instrumentos similares previstos en la actualidad en otros telescopios a la caza de exoplanetas. No sólo por la unión entre alta resolución espectral (precisión de 1 metro por segundo en velocidad radial) y cobertura espectral (óptico-infrarrojo cercano) que posee, sino porque comenzará a operar primero y dispondrá de centenares de noches en un telescopio de 3.5 metros. Por estos motivos es muy probable que sea CARMENES el instrumento que descubra la primera exotierra entre las estrellas cercanas al Sol.
Logotipo del instrumento CARMENES. Crédito: José A. Caballero (CAB-CSIC).
El reto continuo de trabajar como científico en España
Mañana, 18 de diciembre, se estrena el “Capítulo VII” de la saga de “La Guerra de las Galaxias”. En lugares de todo el mundo ilusionados fans esperamos ansiosos conocer cómo continúan las aventuras galácticas de personajes entrañables como Leia Organa, Han Solo o Luke Skywalker. No son pocos los astrofísicos profesionales que se iniciaron en el mundo de las estrellas tras verse inspirados por la ciencia ficción y, en particular, por “Star Wars”. Éste fue el caso de mi colega, compañero y amigo José Antonio Caballero. Con sólo cuatro años disfrutó de la visión en el cine de “El Imperio Contrataca” (el “Capítulo V” de Star Wars) y quedó enganchado a la Astronomía. Desde entonces tenía claro que quería investigar estrellas y planetas, y es en este campo donde está realizado su trabajo científico. Tras completar su tesis doctoral en el Instituto de Astrofísica de Canarias (tesis por la que recibió el Premio Extraordinario de la Sociedad Española de Astronomía en 2006), pasó una estancia postdoctoral en el Instituto de Astronomía Max-Plack (Heidelberg, Alemania), para regresar a España trabajando en la Universidad Complutense de Madrid con un contrato Juan de la Cierva. Actualmente está terminando su contrato “Ramón y Cajal” en el Centro de Astrobiología (CAB-CSIC), siendo a la vez uno de los responsables del instrumento CARMENES: el “cazador de exoplanetas de Calar Alto”. Además, José Antonio Caballero, también tiene un proyecto de divulgación de la astronomía a través de la música y el rock en el que colabora con artistas de grupos españoles de renombre, como Los Planetas o Lori Meyers.
Conozco a José A. Caballero desde nuestra época de estudiantes de doctorado en el Instituto de Astrofísica de Canarias hace ya 14 años. No en vano, fuimos compañeros de piso durante 3 años y hemos compartido desde conocimientos científicos a suculentas comidas “familiares”, partidos de baloncesto o excursiones por Tenerife. Una de las razones por las que congeniamos tanto fue por las muchas afinidades comunes que tenemos y la pasión que ponemos al trabajo que ambos hacemos (investigar en astrofísica). Pero él siempre ha ido muchos pasos por delante de todos, no sólo por la enorme cantidad de noches que pasaba en los telescopios y su enorme talento a la hora de reducir y analizar múltiples datos de forma rápida y efectiva, sino porque es una verdadera “máquina de escribir papers”. En su primera época de postdoc, antes de verse inmerso de lleno en CARMENES, solía sacar 6 ó 7 artículos científicos al año de primer autor, algunos incluso firmados sólo por él, y otros tantos en colaboraciones. Su enorme productividad y tesón, pese a la vorágine destructora de ciencia que ha traído la crisis económica a nuestro país, le valió conseguir un prestigioso contrato “Ramón y Cajal” en 2010, cuando sólo tenía 34 años.
Las “Ramones y Cajales” estaban en principio diseñadas para atraer a jóvenes investigadores españoles que trabajaban en el extranjero a centros de investigación de España, con el compromiso final de que el investigador consiguiera una plaza fija en dicho centro a la conclusión de su contrato “Ramón y Cajal”. Desgraciadamente esto no está ocurriendo en la mayoría de los casos, y brillantes investigadores, de edad media superior a los cuarenta años, deben realizar la dura elección de volver a emigrar en busca de una estabilidad laboral mejor de la que las instituciones científicas españoles ofrecen o plantearse seriamente dejar la investigación.
El 1 de enero de 2016 José A. Caballero, uno de los personajes claves para el éxito de CARMENES y, repito, un científico muy reconocido internacionalmente en su campo avalado con cientos de publicaciones científicas, pasará a tener un contrato temporal en el instituto Landesternwarte Königstuhl en Heidelberg (Alemania), con visita mensual obligada a Madrid por motivos laborales (no sólo por CARMENES sino también para dirigir a su estudiante de doctorado, que seguirá en la Universidad Complutense de Madrid) y personales (su compañera, Sara, de la que también soy muy amigo, es una reputada cirujana en un hospital madrileño).
Esto es un ejemplo más del maltrato continuo que soportan los investigadores en nuestro país bajo el yugo de arcaicos y politizados departamentos e instituciones. No me extrañaría nada que fuese el mismo José A. Caballero (una de las personas encargadas de supervisar las pruebas de CARMENES en el telescopio el mes pasado) el que en unos meses descubra la primera exotierra usando datos de este nuevo instrumento. Si esto ocurriese, en el artículo científico su afiliación no será española, sino extranjera: el descubrimiento sería alemán. Aún así él lo tiene claro: volverá a España en cuanto pueda. Y si hay un astrofísico español de su edad que se merece cuanto antes una plaza fija y estabilidad en un instituto de investigación, ése es José Antonio Caballero. No le desearé suerte aquí, no la necesita, la suerte se la está buscando él solo con su enorme trabajo diario y su más que demostrado talento. Estoy completamente seguro que, más tarde o más temprano, conseguirá su objetivo de realizar investigación astrofísica al máximo nivel y de forma estable desde un centro español. Y también estoy seguro que la astrofísica española tendrá en él a uno de los científicos más importantes a nivel mundial en el estudio y comprensión de estrellas de baja masa y exoplanetas.
(1) A estas alturas ya sabréis que lo hemos conseguido: la candidatura española para que la estrella mu Arae fuese designada oficialmente como Cervantes y sus planetas nombrados con los nombres de los personajes principales de El Quijote ha sido la ganadora. Además, ha ganado de goleada, dado que la candidatura Estrella Cervantes ha recibido el 69% de los votos para mu Arae, ¡más de 2/3 de los votos para ese sistema planetario! Más información en la página de Estrella Cervantes y en el blog de Daniel Marín.
(1) A estas alturas ya sabréis que lo hemos conseguido: la candidatura española para que la estrella mu Arae fuese designada oficialmente como Cervantes y sus planetas nombrados con los nombres de los personajes principales de El Quijote ha sido la ganadora. Además, ha ganado de goleada, dado que la candidatura Estrella Cervantes ha recibido el 69% de los votos para mu Arae, ¡más de 2/3 de los votos para ese sistema planetario! Más información en la página de Estrella Cervantes y en el blog de Daniel Marín.
Max-Planck-Institut für Astronomie, Heidelberg (Alemania)
Instituto de Astrofísica de Andalucía, Granada (España)
Landessternwarte Königstuhl, Zentrum für Astronomie der Universität Heidelberg (Alemania)
Institut de Ciències de l'Espai, Barcelona (España)
Insitut für Astrophysik, Georg-August-Universität Göttingen (Alemania)
Universidad Complutense de Madrid, Departamento de Astrofísica (España)
Thüringer Landessternwarte Tautenburg (Alemania)
Instituto de Astrofísica de Canarias, Tenerife (España)
Hamburger Sternwarte, Universität Hamburg (Alemania)
Centro de Astrobiología, Madrid (España)
Centro Astronómico Hispano-Alemán, Calar Alto (España y Alemania)
CARMENES ha sido financiado por la Max Planck Gesellschaft, el Consejo Superior de Investigaciones Científicas, y los miembros del Consorcio CARMENES, con contribuciones de los Ministerios MICINNy MINECO, el estado de Baden-Württemberg, la Deutsche Forschungsgemeinschaft , la Klaus Tschira Stiftung (KTS), la Junta de Andalucía, y por la Unión Europea a través de fondos FEDER.
