Exoplanetas más acogedoras que la Tierra

¿Vivimos en el mejor de los mundos posibles? ? En el siglo XXI, el filósofo alemán Leibniz creía que la Tierra ofrecía condiciones óptimas para la vida a pesar de sus aparentes fallas. La idea fue criticada, en particular por Voltaire en su historia filosófica Candide , porque vio en ella una construcción no científica de la realidad para satisfacer los deseos de Leibniz. Sin embargo, el pensamiento del filósofo alemán encuentra un eco indirecto en los astrónomos que toman la Tierra como semental en sus estudios de planetas extrasolares y en la búsqueda de otros mundos habitables.

Debido a que solo conocemos un mundo habitado (nuestro), es natural usar la Tierra como referencia para buscar vida en otro lugar, ya sea en Marte o en Europa, la luna de Júpiter que presentaría un océano de agua líquida debajo de su superficie congelada . Pero hoy, el descubrimiento de planetas potencialmente habitables que orbitan estrellas distintas al Sol (en otras palabras, exoplanetas) pone en tela de juicio este enfoque geocéntrico.

En los últimos 20 años, los astrónomos han descubierto más de 1,800 exoplanetas y las estadísticas sugieren que el Galaxy alberga al menos $ 100 mil millones. Entre los planetas descubiertos hasta la fecha, la mayoría son muy diferentes de la Tierra y exhiben una amplia variedad de tamaños, órbitas, composiciones o la naturaleza de sus estrellas anfitrionas (a menudo más pequeñas y frías que el Sol). Mirando de cerca las características de estos exoplanetas, creo (y no soy el único) que la Tierra podría no ser el nec plus ultra en términos de habitabilidad. El hecho de que la vida apareció allí no es suficiente para afirmar que las condiciones son óptimas. De hecho, algunos exoplanetas muy diferentes de la Tierra tendrían muchas más posibilidades de desarrollar y mantener biosferas estables. Estos «planetas superhabitables» serán los objetivos más adecuados para buscar vida fuera del Sistema Solar.

Por supuesto, la Tierra tiene varias características que, a primera vista, parecen ideales para la vida. Gira en torno a una estrella de mediana edad bastante tranquila, que ha estado brillando constantemente durante miles de millones de años, lo que ha dado tiempo de vida para aparecer y evolucionar. Tiene océanos de agua líquida, la cuna de la vida, porque está en órbita en la «zona habitable», una región delgada alrededor del Sol donde la luz recibida de la estrella no es demasiado intensa ni demasiado débil. Más cerca del Sol, la Tierra habría estado muy caliente y el agua solo habría estado presente en un estado de vapor; Si estuviera más lejos, el agua no habría sido más que hielo.

La Tierra también tiene un tamaño propicio para la vida: lo suficientemente grande como para contener una atmósfera espesa gracias a su campo gravitacional, pero lo suficientemente pequeño como para garantizar que la gravedad no coloque una capa de gas opaca y sofocante en el planeta. El tamaño de la Tierra y su composición rocosa también promueven la habitabilidad en otros aspectos, como la presencia de una actividad tectónica, que regula el clima al participar en el ciclo del dióxido de carbono y el de un campo magnético, que protege la biosfera del cósmico. radiación.

Tierra, una cuna mediocre para la vida

Sin embargo, cuanto más investigadores estudian la habitabilidad de la Tierra, menos les parece ideal. Las condiciones varían ampliamente de una región del planeta a otra y grandes porciones de la superficie de la Tierra son casi sin vida: los desiertos son áridos, el océano del mar abierto es pobre en nutrientes y las regiones polares se están congelando.

Además, la habitabilidad de la Tierra ha variado con el tiempo. Por ejemplo, durante la mayor parte del período geológico del Carbonífero (hace aproximadamente 360 y 300 millones de años), la atmósfera del planeta era más cálida, húmeda y mucho más rica en oxígeno que hoy. hui. Crustáceos, peces y corales de arrecife prosperaron en los mares, vastos bosques cubrieron los continentes, los insectos y otros animales terrestres alcanzaron tamaños gigantescos. La Tierra de la era carbonífera probablemente albergaba más biomasa que el planeta actual. Por lo tanto, podemos considerar la Tierra actual como menos hospitalaria que en ciertos tiempos pasados.

Además, sabemos que la Tierra tiene que ser mucho menos acogedora. En unos cinco mil millones de años, el Sol habrá agotado la mayor parte de su combustible, hidrógeno y el helio en su corazón comenzará a fusionarse. Esta reacción liberando un poder mayor que la fusión de hidrógeno, la estrella se convertirá en un «gigante rojo». La estrella crecerá mientras pueda engullir la Tierra. Pero la vida en la Tierra se habrá ido mucho antes. A medida que el Sol se aleje de sus últimas reservas de hidrógeno, la temperatura de su corazón aumentará gradualmente y el brillo total del Sol aumentará lentamente, en aproximadamente un diez por ciento cada mil millones de años. Tal cambio significa que el área habitable del Sistema Solar no es estática, sino dinámica: se alejará cada vez más de la estrella con el tiempo, y la Tierra surgirá de ella.

Cálculos recientes sugieren que la Tierra de hoy no está en el medio de la sala de estar, sino más bien en su borde interno: ya está a punto de sobrecalentarse . Por lo tanto, dentro de unos 500 millones de años, la radiación solar será lo suficientemente fuerte como para imponer un clima muy cálido que amenazará la supervivencia de organismos complejos en la superficie de la tierra. En 1.750 millones de años, la temperatura será tan alta que los océanos se evaporarán, y cualquier forma simple de vida que aún permanezca en la superficie desaparecerá.

Por lo tanto, la habitabilidad de la Tierra ha disminuido durante mucho tiempo y la biosfera se acerca a su fin. A fin de cuentas, es razonable decir que la Tierra es solo marginalmente habitable.

En 2012, trabajé en la habitabilidad de lunas masivas en órbita alrededor de planetas gaseosos gigantes. Entonces me pregunté si otras estrellas podrían ser aún más adecuadas para la vida que la Tierra. En el Sistema Solar, la luna más grande es Ganímedes, un satélite de Júpiter, cuya masa es solo el 2.5% de la de la Tierra. Es insuficiente retener una atmósfera comparable a la de la Tierra, pero entendí que hay escenarios plausibles para la formación de lunas de una masa que se acerca a la de la Tierra en otros sistemas planetarios. Se dice que estas lunas de tamaño terrestre están en órbita alrededor de planetas gigantes ubicados en la zona habitable de su estrella. Entonces podrían tener una atmósfera espesa.

Exolunes calentado por las fuerzas de marea

¿Por qué estas «exolunas» masivas serían más habitables que la Tierra, o superhabitables? ? A diferencia de la vida terrestre, que tiene como fuente principal de energía la radiación solar, la biosfera de un exolune superhabitable no solo pudo extraer su energía de su estrella, sino también de la luz reflejada y la radiación infrarroja emitida por su planeta gigante. vecino. A esto debe agregarse la influencia gravitacional del planeta. Cuando una luna gira alrededor de un planeta gigante, las fuerzas de marea distorsionan periódicamente su corteza, de ahí una fricción que calienta la luna desde adentro. Esta calefacción por las mareas probablemente esté en el origen de los océanos, uno sospecha que existe bajo la superficie congelada de Europa (luna de Júpiter) y Encelado (luna de Saturno).

Sin embargo, esta diversidad de fuentes de energía sería de doble filo para un exoluno masivo. Un ligero desequilibrio en las fuentes de energía complementarias sería suficiente para inclinar a todo un mundo hacia un estado inhabitable.

Todavía no se ha detectado con certeza ningún exoluno, habitable o no, pero algunos pueden estar ocultos en los datos analizados por el telescopio espacial Kepler . Por el momento, la existencia y la posible habitabilidad de estos objetos permanecen en el ámbito de la especulación.

Por otro lado, ya se pueden encontrar planetas superhabitables en nuestro catálogo de exoplanetas confirmados o en proceso de confirmación. Los primeros exoplanetas descubiertos a mediados de la década de 1990 fueron todos gigantes gaseosos, de masa comparable a la de Júpiter, y cuya órbita estaba demasiado cerca de la estrella para albergar cualquier forma de vida. Pero los astrónomos han mejorado gradualmente las técnicas para detectar exoplanetas, descubrieron planetas cada vez más pequeños y en órbitas más indulgentes porque estaban más distantes de sus estrellas. La mayoría de los planetas identificados en los últimos años son lo que se llama súper Terres, planetas hasta diez veces más masivos que los nuestros y de radio incluido aproximadamente modo entre el de la Tierra (6,371 kilómetros) y el de Neptuno (24,622 kilómetros). Estos planetas están muy extendidos alrededor de otras estrellas, pero no tenemos nada como esto en el Sistema Solar.

Los super-Landers más grandes probablemente tienen atmósferas gruesas, lo que los convierte en «mini-Neptunes» en lugar de versiones ampliadas de la Tierra. Pero algunos de los más pequeños, quizás hasta dos veces más masivos que la Tierra, tendrían composiciones ricas en hierro y rocas, cercanas a las de la Tierra. El agua líquida podría abundar en su superficie si están en órbita en la zona habitable de su estrella.

Ahora sabemos que varias súper tierras potencialmente rocosas giran en torno a las estrellas «Naines de tipo M» o «naines de tipo K», estrellas más pequeñas y menos brillantes que el Sol, pero cuya longevidad es mucho mayor. En parte debido a la vida útil de sus estrellas, estos grandes planetas son actualmente los mejores candidatos para el título de mundo superhabitable, como lo he demostrado en trabajos recientes con John Armstrong, físico de la Universidad Estatal de Weber, Utah.

La longevidad de la estrella, una ventaja

Nuestra idea se basó en la longevidad como un criterio esencial de superhabitabilidad. Es poco probable que una biosfera planetaria sobreviva a la muerte de su estrella. The Sun, de 4.600 millones de años, tiene aproximadamente la mitad de su esperanza de vida de 10.000 millones de años. Si hubiera sido un poco más pequeño, habría sido una estrella enana de tipo K, con una vida útil mucho más larga. Estas estrellas enanas tienen menos combustible nuclear que las estrellas más masivas, pero las reacciones que tienen lugar en sus corazones tienen un mejor rendimiento: el hidrógeno se consume más lentamente, lo que aumenta la longevidad de la estrella. Hemos catalogado a muchos enanos de tipo K que son miles de millones de años mayores que el Sol y que aún brillarán miles de millones de años después de la muerte de este último. Tal longevidad aumenta las posibilidades de que aparezca la vida y cualquier biosfera tendría mucho más tiempo para evolucionar y diversificarse.

La luz de un enano tipo K parecería más roja que la del Sol, porque estaría más desplazada hacia el infrarrojo. La fotosíntesis seguiría siendo posible en la superficie del planeta a pesar de este rango espectral compensado, pero la vegetación probablemente sería más oscura que en la Tierra, para absorber el máximo de radiación estelar.

El caso de los enanos tipo M no es tan favorable, a pesar de que son aún más pequeños y económicos que los enanos tipo K. Pueden brillar durante cientos de miles de millones de años, pero brillan tan débilmente que su área de estar está muy cerca de la estrella. Esto expone los planetas allí a poderosas erupciones estelares y otros efectos secundarios. Con mayor longevidad que el Sol y una sala de estar segura, los enanos tipo K ofrecen el compromiso ideal para la superhabitabilidad.

Algunas de estas estrellas de larga vida podrían albergar súper tierras de roca durante varios miles de millones de años. Podría haber surgido una biosfera en estos sistemas planetarios mucho antes del nacimiento del Sol, prosperando y evolucionando durante miles de millones de años antes de que surgiera la primera biomolécula de la sopa primordial de la Tierra joven.

Estoy fascinado por la posibilidad de que la actividad de la biosfera modifique su entorno, quizás reforzando al pasar la habitabilidad del planeta, como fue el caso en la Tierra. Por ejemplo, hace unos 2.400 millones de años, nuestro planeta experimentó una «Gran Oxidación», un período en el que grandes cantidades de oxígeno comenzaron a acumularse en la atmósfera, probablemente debido al metabolismo de las algas oceánicas. Esto ha llevado a la aparición de organismos más intensivos en energía, más grandes, más sostenibles y más activos, y ha sido un paso crucial hacia la aparición gradual de la vida fuera de los océanos y la colonización de los continentes.

Si las biosferas extraterrestres también cambian su entorno, tal vez sus planetas se vuelvan más habitables a medida que envejecen ?

La estrella anfitriona y la sala de estar no son los únicos criterios para hacer que un planeta sea superhabitable. Este último también debe ser más masivo que la Tierra. Esto evitaría dos desastres que podrían caer en los planetas rocosos que están envejeciendo. Cuales ?

Si la Tierra estuviera ubicada en la zona habitable de un enano tipo K, el interior del planeta se habría enfriado mucho antes de la muerte de la estrella. Sería un obstáculo para la habitabilidad. De hecho, el calor interno de un planeta mantiene los movimientos de convección en la capa, a los que se deben las erupciones volcánicas y la tectónica de las placas. Estos procesos reconstituyen y reciclan el contenido de la atmósfera en dióxido de carbono. Sin ellos, la cantidad de dióxido de carbono atmosférico disminuiría constantemente. La lluvia lo llevaría de vuelta al suelo donde se asentaría en las rocas. En última instancia, el efecto invernadero general, dependiente del dióxido de carbono, sería insuficiente para mantener la temperatura atmosférica. El planeta probablemente se encontraría en un estado inhabitable de «bola de nieve», en el que todas las aguas superficiales se congelarían.

Los efectos perversos de una masa inadecuada

Más allá de la disminución del efecto invernadero, el enfriamiento del interior de un planeta rocoso envejecido también podría eliminar el campo magnético que protege al planeta de los dañinos rayos cósmicos. Este campo se genera por la rotación de la parte líquida de su núcleo de hierro, que la convección y la turbulencia se transforman en dinamo. El corazón permanece líquido debido al calor residual de la formación planetaria, así como a la desintegración de los isótopos radiactivos que están naturalmente presentes allí.

Cuando el calor interno de un planeta rocoso se ha disipado, el corazón se solidifica, el efecto dinamo termina y el escudo magnético desaparece. La radiación cósmica y las erupciones estelares erosionan la atmósfera superior, y las partículas cósmicas de alta energía alcanzan la superficie. Como resultado, los planetas más antiguos perderían gran parte de su atmósfera, que también sirve como un escudo contra la radiación cósmica, y los altos niveles de radiación que se producirían serían perjudiciales.

Los súper terres rocosos envejecen más lentamente que la Tierra, porque mantienen su calor interno más tiempo gracias a su mayor masa.

Los planetas de tres a cinco veces más masivos que la Tierra pueden ser demasiado grandes para manifestar una tectónica de las placas: la presión y la viscosidad de su manto serían tan altas que evitarían los movimientos de convección interna. Por otro lado, un planeta rocoso dos veces más masivo presentaría una tectónica de las placas lo suficientemente activa como para mantener los ciclos geológicos y un campo magnético durante varios miles de millones de años. Tal planeta también tendría un diámetro aproximadamente un 25% mayor que el de la Tierra: sus posibles organismos vivos tendrían una superficie habitable más extensa de alrededor del 56%.

Cómo sería un planeta superhabitable ? La gravedad sería más fuerte allí y, por lo tanto, una súper Tierra promedio probablemente tendría una atmósfera más densa que la Tierra. La erosión de las montañas sería más rápida. En otras palabras, ese planeta tendría un aire más grueso y un relieve más plano. Si tiene océanos, el paisaje planetario aplanado significaría que el agua forma muchos mares poco profundos sembrados de cadena de islas, en lugar de océanos abisales con algunos continentes grandes y raros. Como la biodiversidad en los mares terrestres es más rica en las aguas poco profundas que bordean las costas, tal «mundo de archipiélagos» sería muy beneficioso para la vida. La evolución, más activa en ecosistemas insulares aislados, estimularía la biodiversidad.

Privado de vastos continentes, un mundo de archipiélagos no tendría una habitabilidad general más baja ? No necesariamente. De hecho, observamos que las regiones centrales de un continente son a menudo desiertos estériles, porque están demasiado lejos del aire oceánico, húmedo y templado.

En la Tierra, algunas regiones son demasiado calientes y otras demasiado frías para que se desarrolle una vida abundante allí. Una mayor homogeneidad climática depende en particular de la dirección del propio eje de rotación del planeta en relación con el plano de la órbita de la revolución. El eje de rotación de la Tierra, por ejemplo, tiene una inclinación de aproximadamente 23.4 grados, que está en el origen de las estaciones y reduce ligeramente las diferencias de temperatura entre las regiones ecuatoriales calientes y las regiones polares frías . La diferencia sería más marcada si el eje fuera perpendicular al plano orbital. Un mundo de archipiélagos cuya inclinación del eje de rotación sería aún más favorable que la de la Tierra podría tener un ecuador caliente sin ser excesivo, así como polos relativamente templados, sin hielo. Y, gracias al tamaño más grande del globo y su superficie más grande, la tierra acogedora para la vida sería más numerosa que si estuviera compuesta de vastos continentes.

Mejores mundos… y más numeroso !

Juntos, todas estas reflexiones sobre la habitabilidad sugieren que los planetas superhabitables son un poco más grandes que la Tierra y que tienen estrellas anfitrionas un poco más pequeñas y menos brillantes que el Sol. Si este razonamiento es correcto, su conclusión es fascinante para los astrónomos, porque es mucho más fácil detectar estrellas enanas en órbita súper Terres que gemelos del sistema Tierra-Sol. Hasta ahora, las estadísticas sobre las poblaciones de exoplanetas sugieren que los súper terres alrededor de pequeñas estrellas están mucho más extendidos en la Vía Láctea que los análogos en el sistema Tierra-Sol. Parece que los astrónomos tienen muchos más lugares para buscar vida de lo que pensaban.

Así, el planeta Kepler-186f sería superhabitable. Tiene un diámetro 11% mayor que el de la Tierra y probablemente sea rocoso, en órbita en la zona habitable de una estrella enana de tipo m. Tendría varios miles de millones de años. Desafortunadamente, no podemos observarlo con suficiente detalle para estudiar su habitabilidad, porque está a unos 500 años luz de distancia.

Los candidatos superhabitables más cercanos a nosotros pueden ser descubiertos pronto gracias a varios proyectos, en particular la misión Platón de la Agencia Espacial Europea, que debería lanzarse para 2024. Estos planetas también serán objetivos principales para el telescopio espacial James Webb , un observatorio programado para lanzarse en 2018.

Esperemos que pronto podamos señalar con el dedo a una región del cielo donde se esconde un planeta que, al contrario de lo que pensó Leibniz, sería más acogedor que la Tierra.

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