En 1995 se halló el primer planeta orbitando en torno a una estrella parecida al Sol. Desde entonces, la búsqueda de planetas más allá del Sistema Solar ha sido intensa, y ya se conocen más de tres mil planetas extrasolares, muchos de ellos formando sistemas planetarios.

Sin embargo, la mayoría de los que se han descubierto son gigantes gaseosos similares a Júpiter que giran en órbitas extremadamente cercanas a su estrella y, por tanto, hostiles para la vida.

De modo que el desafío consiste en hallar planetas de tipo rocoso –o similares a la Tierra– que, además, se encuentren en lo que se conoce como zona de habitabilidad, la región en torno a una estrella donde un planeta puede albergar agua líquida en su superficie. Estos son, precisamente, los que buscará CARMENES.

Por desgracia, esos planetas, o exotierras, son esquivos. Uno de los métodos para detectar planetas extrasolares es la denominada técnica de velocidades radiales, que consiste en medir las pequeñas oscilaciones que los planetas producen en sus estrellas al girar a su alrededor. Unas oscilaciones tanto más pequeñas cuando menor es el planeta: por ejemplo, en el caso de nuestro Sistema Solar, Júpiter produce en el Sol una variación de velocidad de diez metros por segundo, mientras que la variación que produce la Tierra se reduce a diez centímetros por segundo. La tecnología para la detección de variaciones estelares ha avanzado mucho en las últimas décadas, pero no tanto como para detectar las variaciones producidas por planetas de tipo terrestre en estrellas de tipo solar.

¿Entonces…? ¿Es este un camino cerrado para encontrar planetas extrasolares de tipo terrestre? No, hay otra opción: buscar en torno a enanas rojas (o enanas M), estrellas más pequeñas y frías que el Sol que ofrecen las condiciones para la existencia de agua líquida en órbitas más cercanas que en nuestro sistema solar. Eso hace que las oscilaciones producidas en la estrella por planetas similares al nuestro y que ocupen esas órbitas sean mayores y entren dentro del rango de valores detectable con la tecnología actual.

¿Cómo se consigue algo así? Necesitamos un instrumento de alta estabilidad y precisión, que a partir de las imágenes de la estrella obtenidas por un telescopio nos dé su espectro con una alta resolución. Porque a partir del espectro de la estrella podemos calcular la componente radial de su desplazamiento respecto a nosotros, y de ahí inferir si existen planetas orbitando en torno a ella y determinar sus características principales.

El fundamento de esta técnica es el famoso efecto Doppler, que se suele explicar recurriendo a una ambulancia que se mueve respecto a un observador (o, más bien, un ‘escuchador’) en reposo. Es fácil comprobar que éste percibe el sonido de la sirena más agudo cuando la ambulancia se aproxima a él que cuando está parada, ya que la velocidad del vehículo se suma a la de las ondas sonoras y hace que aumente su frecuencia. Del mismo modo, cuando el vehículo se está alejando, el observador percibe un sonido más grave que cuando el vehículo no se mueve. En el caso que nos ocupa, no es el sonido sino la luz la que se desplazará en frecuencia dependiendo de la velocidad relativa del objeto respecto al observador. La luz que emite una estrella se genera en su núcleo por fusión nuclear, y al pasar por las capas más superficiales de la estrella (su atmósfera) se ve absorbida en algunos de estos colores por los elementos químicos que se encuentran en ella. Este fenómeno hace que se produzca un patrón de líneas característico que se conoce como espectro de absorción y que juega un papel equivalente al sonido de la ambulancia en el ejemplo clásico, puesto que es la frecuencia de estas absorciones la que cambia por efecto Doppler al acercarse y alejarse la estrella en relación a nosotros. Al comparar estas frecuencias de los colores absorbidos por la atmósfera estelar con una fuente estable en tierra podemos calcular la velocidad radial de la estrella con suficiente precisión para detectar el exoplaneta y determinar su masa.

Para conseguir el espectro de absorción a partir de la imagen obtenida por un telescopio es necesario hacer pasar la luz por un elemento dispersor, que en el caso de CARMENES se trata de una red dispersiva de tipo Echelle. Los registros de CARMENES muestran a la vez el espectro de la estrella y el de la fuente de calibración, en sucesivas líneas que corresponden a los distintos órdenes espectrales. Esta imagen 2D se procesa para transformarla en un plot 1D de intensidad frente a pixel para cada uno de los órdenes registrados en el detector. A continuación se utiliza el espectro de calibración para generar el mapa de frecuencias que servirá de sistema de referencia para ver los desplazamientos de las líneas de absorción del espectro de la estrella. Esto nos permite obtener una gráfica de intensidad frente a longitud de onda o frecuencia, cuya evolución temporal permite calcular las correspondientes velocidades radiales de la estrella respecto a nuestro sistema de referencia, y de ahí determinar cuántos planetas y con qué características serían necesarios para producir los movimientos detectados. Fácil, ¿no?

Generalmente toda esta metodología es conocida casi exclusivamente por el personal científico especializado en tratamiento de datos astronómicos. Sin embargo, con el objeto de acercar estas técnicas al gran público, en 2015 se lanzó la iniciativa Pale Red Dot, que ponía al alcance de cualquier persona interesada las herramientas necesarias para realizar un seguimiento del proceso de investigación en el campo de exoplanetas. Inicialmente centrado en la estrella Próxima Centauri, el proyecto Pale Red Dot se extendió posteriormente, con el nombre de Pale Dots, a otras estrellas cercanas. 

Pale Red Dot es un proyecto de divulgación en el que colaboran varias instituciones, entre ellas el IAA-CSIC. Uno de sus objetivos originales era mostrar al gran público los métodos científicos utilizados en astronomía, aplicados al estudio de un apasionante caso real: la posibilidad de que exista un planeta parecido a la Tierra orbitando en torno a la estrella más cercana a nosotros. Próxima Centauri está situada a algo más de cuatro años luz de distancia y probablemente forme parte, junto a Alfa Centauri A y B, de un sistema estelar triple. Desde hace años numerosas observaciones de esta estrella parecían indicar que podría estar orbitada por al menos un planeta que, además, sería de características similares al nuestro. El proyecto Pale Red Dot pretendía obtener resultados concluyentes sobre su existencia pero, a diferencia de la mayoría de estudios de este tipo, que habitualmente quedan restringidos al ámbito científico, en este caso todo el proceso de toma, análisis y procesado de los datos se mantuvo abierto a cualquier interesado a través de su página web. El resultado del proyecto no pudo ser más exitoso: en agosto de 2016 el equipo de Pale Red Dot anunció, a través de la revista Nature, la confirmación oficial de la existencia de un planeta rocoso en zona de habitabilidad de Próxima Centauri, que de acuerdo con la nomenclatura utilizada en este campo pasó a denominarse Próxima b. 

Tras el éxito del proyecto Pale Red Dot, el equipo responsable del estudio decidió extender la búsqueda a estrellas del mismo tipo espectral situadas en nuestro entorno galáctico próximo. Siguiendo la misma sistemática y procedimientos utilizados en Pale Red Dot, la campaña Red Dots está enfocada a tres estrellas cercanas. La estrella de Barnard es una enana roja de baja masa situada a unos 6 años luz, muy popular en relatos de ciencia ficción y que ha sido propuesta como objetivo de futuras misiones interestelares como el proyecto Daedalus. La estrella Ross 154 es otra enana roja situada a unos 9.7 años luz de nuestro Sol. La tercera estrella que se incluye en la iniciativa Red Dots es Próxima Centauri, que ya fue el único objeto de estudio de Pale Red Dot. La razón de incluirla de nuevo en esta campaña es que, de acuerdo con los análisis de datos que llevaron al descubrimiento de Próxima b, se sospecha que el sistema planetario que la orbita puede ser múltiple y contar con al menos una exotierra más. 

Red Dots mantiene la filosofía de divulgación de técnicas astronómicas que ya ofreció su precursor. Pale Red Dot tenía como uno de sus objetivos básicos el hacer accesible al público interesado toda la información sobre la metodología utilizada en este campo de investigación, aunque el resultado final del estudio se presentó de acuerdo con el procedimiento habitual de revisión por pares en publicaciones de ámbito científico. En esta nueva iniciativa, sin embargo, los datos observacionales de uno de los objetos de estudio (Próxima Centauri) serán revelados, analizados y discutidos en tiempo real.