Más allá de la “Paradoja de Fermi” XII: ¿Qué es la Hipótesis de los Mundos Acuáticos?

Bienvenido de nuevo a nuestra serie Fermi Paradox, donde echamos un vistazo a las posibles soluciones a la famosa pregunta de Enrico Fermi, «¿Dónde está todo el mundo?» ¡Hoy examinamos la posibilidad de que la razón del Gran Silencio sea que muchos planetas son demasiado acuosos!

En 1950, el físico ítalo-estadounidense Enrico Fermi se sentó a almorzar con algunos de sus colegas en el Laboratorio Nacional de Los Álamos, donde había trabajado cinco años antes como parte del Proyecto Manhattan. Según varios relatos, la conversación giró hacia los extraterrestres y la reciente oleada de ovnis. Al respecto, Fermi emitió un comunicado que pasaría a los anales de la historia: “¿Donde está todo el mundo?“

Esto se convirtió en la base de la Paradoja de Fermi, que se refiere a la disparidad entre las estimaciones de alta probabilidad de la existencia de inteligencia extraterrestre (ETI) y la aparente falta de evidencia. Desde la época de Fermi, ha habido varias propuestas de resolución a su pregunta, que incluye la posibilidad de que muchos exoplanetas son Mundos acuáticosdonde el agua es tan abundante que es menos probable que la vida emerja y prospere.

El término Waterworld se usa para describir planetas terrestres (rocosos) que tienen cantidades sustanciales de agua en su superficie, hasta el punto de que el agua constituye una parte significativa de su masa y composición general. En el corazón de la hipótesis de Waterworlds se encuentra una suposición clave con respecto a las condiciones bajo las cuales la vida puede existir en nuestro Universo, sin mencionar los hallazgos recientes en el campo del estudio de exoplanetas.

Usando la Tierra y todas las especies que han evolucionado aquí a lo largo del tiempo como punto de referencia, los científicos se ven obligados a asumir que el agua es un ingrediente clave para la vida tal como la conocemos. De todos los solventes conocidos, el agua es el único en el que la vida puede sobrevivir, y todos los organismos conocidos en la Tierra dependen de ella para su supervivencia.

Esto plantea un punto fundamental (y un factor limitante) sobre la búsqueda de vida extraterrestre, ya sea básica o compleja. Mientras que el agua se trata como una «firma biológica» en la búsqueda de vida extraterrestre, se teoriza que la presencia de demasiada agua interferiría con procesos clave que también se consideran esenciales para la vida. Pero primero, una nota rápida sobre la terminología.

biofirmas

Por definición, el término «biofirmas» se refiere a cualquier compuesto, isótopo o proceso que se considere evidencia de vida pasada o presente. Más específicamente, son indicativos de procesos complejos que consumen energía gratuita y dan como resultado la producción de residuos orgánicos (biomasa). Esto incluye gas hidrógeno (H₂), gas oxígeno (O₂), dióxido de carbono (CO₂), metano (CH₄), agua (H₂O), y algunos compuestos sulfúricos y fosfóricos.

El agua es una de las firmas biológicas más buscadas, ya que es el único solvente conocido donde puede existir vida y es esencial para todas las formas de vida conocidas en la Tierra. Pero mientras el agua cubre el 71% de la superficie de la Tierra, representa solo el 0,02% de la masa total de nuestro planeta. Si esta fracción de masa fuera mayor, significaría que un planeta está completamente cubierto por océanos de gran profundidad, lo que podría tener consecuencias para la habitabilidad.

Esto no es diferente a los «planetas transitoriamente habitables», donde se han observado planetas rocosos que parecen tener abundante gas de oxígeno que es de origen abiótico (no el resultado de la actividad biológica). En cambio, se cree que el oxígeno gaseoso es el resultado de la disociación química, donde la radiación ultravioleta hace que el vapor de agua atmosférico se descomponga, creando hidrógeno y oxígeno gaseoso.

Mientras que el gas de hidrógeno (que es mucho más ligero) se pierde en el espacio, el gas de oxígeno será retenido por la gravedad del planeta. Pero dado que el oxígeno gaseoso es tóxico para muchas formas de vida básicas, como los organismos fotosintéticos como las cianobacterias, la presencia de oxígeno abiótico en realidad podría impedir el surgimiento de la vida. Quizás lo mismo sea cierto cuando se trata de una sobreabundancia de agua.

Origen

Si bien la hipótesis de Waterworlds es en gran parte el producto de descubrimientos recientes de exoplanetas, sus cimientos se remontan a varias décadas. Por ejemplo, David Brin resumió el pensamiento detrás de esta hipótesis en su estudio seminal de 1983, El gran silencio: la controversia sobre la vida inteligente extraterrestre:

“El agua cubre más del 70 por ciento de la superficie de la Tierra. Sin embargo, quizás la Tierra esté hacia el extremo seco de la clase de mundos habitables. Un área de tierra mucho más pequeña, o la falta total de tierra seca, brindaría pocas oportunidades para la evolución de las especies que usan herramientas. La mayoría de las especies inteligentes del Universo podrían poseer la perspectiva de las ballenas y nunca concebir la radio o viajar a las estrellas”.

Manasvi Lingam y Abraham Loeb, dos investigadores de la Centro Harvard Smithsonian de Astrofísica (CfA) y el Instituto de Teoría y Computación (TIC) en la Universidad de Harvard. en un estudio 2018los dos investigadores examinaron el papel que desempeñan los océanos y los continentes en el surgimiento de la vida.

Al final, llegaron a dos posibles posibilidades. Por un lado, sus cálculos indicaron que un equilibrio cuidadoso entre los océanos y las masas terrestres es crucial para la aparición de biosferas complejas. Por otro lado, determinaron que planetas como la Tierra, con una proporción de masa terrestre a océanos de 30:70, es probablemente bastante raro en nuestro Universo.

En los últimos años, los astrónomos también han observado indicios de que el agua puede constituir un porcentaje mayor de la masa y composición de un planeta de lo que se pensaba anteriormente. Por un lado, las encuestas modernas han descubierto muchos exoplanetas que orbitan dentro de las Zonas Habitables (HZ) de sus estrellas que parecían estar completamente cubiertas de agua.

También está la gran cantidad de planetas rocosos que forman parte del sistema estelar de tipo M (enana roja) en la última década. Esto incluye a Próxima b, el exoplaneta más cercano al Sistema Solar (4,24 años luz), y que orbita dentro de la ZH de su estrella. En un estudio de 2016, Bastien Brugger y el Punto rojo pálido El equipo creó una serie de modelos de estructuras internas que mostraban cómo estos planetas podrían estar compuestos en gran parte por agua.

Basándose en la suposición de que Próxima b es un planeta rocoso y no tiene una atmósfera masiva, Brugger y sus colegas concluyeron que es probable que este planeta tenga un radio máximo de 1,4 veces el de la Tierra y 1,46 veces más masa. Sin embargo, estos parámetros también incluyen una fracción de masa de hasta un 50 % de agua, lo que significa que es probable que sea un «planeta oceánico» con una capa helada congelada.

A esto le siguió un estudio similar realizado por investigadores de la Universidad de Berna que examinó la formación de planetas alrededor de estrellas de muy baja masa (también conocidas como enanas rojas). Sus resultados mostraron que estos planetas oscilarían entre 0,5 y 1,5 veces el radio de la Tierra (siendo 1 radio terrestre el promedio) y que en el 90 % de los casos, el agua representaría más del 10 % de la masa de los planetas.

En 2017, los astrónomos confirmaron la existencia de siete planetas rocosos alrededor de TRAPPIST-1, tres de los cuales orbitan dentro de la ZH de la estrella. Desde entonces, múltiples estudios han demostrado que el sistema puede ser rico en agua. Sin embargo, un estudio de 2018 dirigido por el Estado de Arizona Escuela de Exploración de la Tierra y el Espacio (SESE) calculó el contenido de agua de los planetas TRAPPIST-1 y obtuvo resultados similares.

Con base en sus modelos de composición de radio de masa, encontraron que los planetas más internos (b y C) eran «más secos» – con un 15% de agua en masa – mientras que los planetas más exteriores (F y gramo) eran más del 50% de agua en masa. En 2018, un grupo internacional de científicos dirigido por el investigador de Harvard Li Zeng examinó datos del Telescopio espacial Kepler y gaia misión de determinar qué tan comunes son realmente los «mundos acuáticos».

A partir de esto, Zeng y sus colegas pudieron crear un modelo que mostraba la relación entre la masa y el radio. Lo que encontraron fue que los planetas que tienen un radio de 2,5 veces el de la Tierra (y una masa de alrededor de 10 veces la de la Tierra) son probablemente Waterworlds, donde el agua representa aproximadamente el 50% de su masa. En resumen, encontraron que alrededor del 35% de todos los exoplanetas conocidos más grandes que la Tierra deberían ser ricos en agua.

Trascendencia

La posibilidad de que muchos exoplanetas sean Waterworlds podría ser muy mala cuando se trata de la búsqueda de vida tal como la conocemos. Los planetas que tienen hasta un 50% de agua en masa, por ejemplo, tendrían océanos de varios kilómetros de profundidad. Bajo estas condiciones, estos planetas consistirían en océanos líquidos sobre capas de hielo de alta presión que rodean un núcleo rocoso.

La presencia de hielo entre un núcleo rocoso y un océano superficial impediría el intercambio de energía a través de la actividad geotérmica. En la Tierra, se cree que la presencia de respiraderos geotérmicos en el límite entre el núcleo y el manto fue esencial para el surgimiento de la vida. En mundos oceánicos como Europa y otras lunas heladas, se cree que esta misma actividad es esencial para la existencia de vida en sus océanos.

Dada su similitud, ¿es posible entonces que la vida sea rara en nuestro Universo debido a lo comunes que son los mundos acuáticos? ¿Podría ser que la vida tal como la conocemos sea rara no por la ausencia de una biofirma clave, sino por su sobreabundancia? Esto representaría una inversión total de lo que muchos astrónomos esperaban encontrar, pero presenta una posible resolución a la Paradoja de Fermi.

criticas

Si bien esta hipótesis es atractiva en lo que respecta a la Paradoja de Fermi, descarta la posibilidad de vida en Waterworlds. Por ejemplo, en un estudio de 2018 realizado por el geofísico Edwin Kite y el astrofísico Eric Ford, titulado «Habitabilidad de mundos acuáticos de exoplanetas” – los dos argumentaron que Waterworlds podría mantener un ciclo de carbono sin actividad geológica o masas de tierra y, por lo tanto, ser habitable.

En la Tierra, las temperaturas se han mantenido estables a lo largo de los eones debido a los niveles relativamente constantes de CO₂ en nuestro ambiente. Esto se debe al ciclo del carbono, donde los gases de efecto invernadero son absorbidos por los minerales (lo que es posible gracias a la convección en el manto) y se liberan periódicamente a la atmósfera a través de la actividad volcánica. En este escenario, la actividad geológica es fundamental para mantener la habitabilidad.

Tal proceso no sería posible en Waterworlds, donde toda la superficie del planeta consiste en agua y la actividad geotérmica no puede transferir material o energía a la atmósfera. Pero según las simulaciones realizadas por Kite y Ford, Waterworlds podría reciclar suficiente carbono entre la atmósfera y los océanos para mantener un clima estable durante varios miles de millones de años.

Además, un estudio 2018 por los geofísicos Bradford Foley y Andrew Smye de la Universidad Estatal de Pensilvania demostraron que la tectónica de placas no es necesaria para mantener condiciones habitables en un planeta. Aquí también, el equipo de investigación demostró que se puede mantener un ciclo de carbono sin necesidad de convección en la corteza de actividad volcánica de un planeta (siempre que haya una cantidad suficiente de elementos radiactivos en el manto).

Copernicano vs Antrópico

Otra consideración importante es la forma en que esta hipótesis plantea preguntas sobre la Tierra y la naturaleza de la vida terrestre. En particular, vuelve a abrirse el debate sobre si la Tierra es un ejemplo típico de planetas habitables o un caso raro (o incluso único). La primera posibilidad es un ejemplo del Principio de Copérnico (también conocido como Principio de Mediocridad), que establece que la Tierra y la humanidad no están en una posición privilegiada para observar el Universo.

En contraste, el Principio Antrópico afirma que las observaciones científicas solo son posibles porque las leyes del Universo son compatibles con el desarrollo de la vida sensible. En términos de cosmología, el Principio Cosmológico Antrópico sostiene que la humanidad y la Tierra están en una posición privilegiada y no son un ejemplo de la norma.

En este sentido, la existencia de Waterworlds podría ser un indicio de que los planetas como la Tierra son bastante raros en el Universo. Dependiendo de si son habitables o no, también podría significar que especies como la humanidad (terrestres, usuarios de herramientas, etc.) son una minoría, o simplemente únicas. De cualquier manera, ¡podría explicar por qué no tenemos noticias de nadie!

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Si bien los científicos no pueden decir con certeza si los mundos acuáticos son incapaces de albergar vida, o si los mundos acuáticos constituyen un porcentaje estadísticamente significativo de los planetas más allá del Sistema Solar, esta hipótesis refleja cómo nuestro conocimiento de los exoplanetas ha aumentado considerablemente en los últimos años. También nos recuerda que el debate entre el Principio Copernicano y el Antrópico está lejos de terminar.

Aún así, en cuanto a posibilidades, es bastante intrigante. Quizás David Brin lo dijo mejor:

“Resulta que nuestra Tierra patina en el borde interior de la zona continuamente habitable, o “Ricitos de oro”, de nuestro sol. Y la Tierra puede ser anómala. Puede ser que debido a que estamos tan cerca de nuestro sol, tenemos una atmósfera anómalamente rica en oxígeno, y tenemos un océano anómalamente pequeño para un mundo acuático…

“En cuyo caso, la evolución de criaturas como nosotros, con manos y fuego y todo ese tipo de cosas, puede ser rara en la galaxia. En cuyo caso, cuando construyamos naves estelares y salgamos, tal vez encontremos montones, montones de mundos de vida, pero todos son como Polinesia. Encontraremos montones, montones de formas de vida inteligentes por ahí, pero todos son delfines, ballenas, calamares, que nunca podrían construir sus propias naves estelares”.

Hemos escrito muchos artículos interesantes sobre la paradoja de Fermi, la ecuación de Drake y la búsqueda de inteligencia extraterrestre (SETI) aquí en Universe Today.

Aquí está ¿Dónde están los extraterrestres? Cómo el ‘gran filtro’ podría afectar los avances tecnológicos en el espacio, por qué sería malo encontrar vida extraterrestre. El gran filtro, ¿cómo podríamos encontrar extraterrestres? La búsqueda de inteligencia extraterrestre (SETI) y Fraser y John Michael Godier debaten sobre la paradoja de Fermi.

¿Quieres calcular el número de especies extraterrestres en nuestra galaxia? Dirígete a la Calculadora de civilización alienígena!

Y asegúrese de ver el resto de nuestra serie Paradoja de Más allá de Fermi:

Astronomy Cast tiene algunos episodios interesantes sobre el tema. Aquí está Episodio 24: La paradoja de Fermi: ¿Dónde están todos los extraterrestres?, Episodio 110: La búsqueda de inteligencia extraterrestre, Episodio 168: Enrico Fermi, Episodio 273: Soluciones a la paradoja de Fermi.

Fuentes:

• Brin, GD “El gran silencio: la controversia sobre la vida inteligente extraterrestre.” Revista trimestral de la Royal Astronomical Society, vol. 24, n.° 3 (1983)
• Brugger, B. (et al.) “Posibles estructuras internas y composiciones de Proxima Centauri b.” Las cartas del diario astrofísico (2016)
• Alibert, Y. & Benz, W. “Formación y composición de planetas alrededor de estrellas de muy baja masa.” Astronomía y astrofísica, vol. 598 (2017)
• No nacido, CT (et al.) “Migración hacia el interior de los planetas TRAPPIST-1 como se deduce de sus composiciones ricas en agua.” Astronomía de la naturaleza, vol. 2 (2018)
• Foley, B. y Smye, A. “Ciclo de carbono y habitabilidad de planetas de tapa estancada del tamaño de la Tierra.” Astrobiología vol. 18, N° 7 (2018)
• Cometa, E. & Ford, E. “Habitabilidad de mundos acuáticos de exoplanetas.” La Sociedad Astronómica Americana, vol. 864, núm. 1 (2018)
• Zeng, L. (et al.) “Modelo de crecimiento Interpretación de la distribución del tamaño del planeta.” Actas de la Royal Astronomical Society, vol. 116, Nº 20 (2019)
• Nisr, C. (et al.) “H grande₂Solubilidad de O en sílice densa y sus implicaciones para el interior de planetas ricos en agua.” Actas de la Royal Astronomical Society (2020)