Usando la atmósfera iluminada de los planetas para buscar vida extraterrestre

Estrella iluminando la atmósfera del planeta

A pesar de que los astrónomos han descubierto recientemente miles de exoplanetas , determinar la habitabilidad de tal planeta es una tarea compleja. Como no podemos estudiar directamente estos planetas, los científicos deben buscar signos indirectos. Son conocidos como biomarcadores y consisten en la aparición de subproductos químicos que asociamos con la vida orgánica, que aparecen en la atmósfera del planeta.

En un nuevo estudio, el equipo de científicos de la NASA ofrece un nuevo método para encontrar posibles signos de vida fuera del sistema solar. Sugieren aprovechar las frecuentes tormentas estelares que ocurren en estrellas enanas jóvenes. Estas tormentas arrojan enormes nubes de material estelar y radiación al espacio, interactuando con las atmósferas de los exoplanetas y emitiendo biomarcadores que podemos detectar.

Recientemente en la revista Nature Scientific Reports, apareció un estudio, " Luces de señalización de vida en atmósferas de exoplanetas alrededor de estrellas de clase G y K. " Fue dirigido por Vladimir Ayrapetyan, un astrofísico líder en la División de Ciencia de Heliofísica (HSD ) del Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA. Su equipo incluía miembros del Centro de Investigación Langley de la NASA, el Centro de Sistemas y Aplicaciones de Ciencia (SSAI ) y la Universidad Americana.


Las luces de señal de la vida pueden ayudar a los investigadores a identificar mundos potencialmente habitados

Por lo general, los investigadores buscan signos de la presencia de oxígeno y metano en la atmósfera de los exoplanetas, ya que son los subproductos conocidos de los procesos orgánicos. Con el tiempo, estos gases se acumulan y alcanzan concentraciones que pueden detectarse mediante espectroscopía. Sin embargo, este enfoque lleva mucho tiempo y requiere a los astrónomos muchos días de trabajo cuando intentan ver el espectro desde un planeta distante.

Hayrapetyan y sus colegas argumentan que en los mundos potencialmente habitados, uno puede buscar signos más groseros. Dicha búsqueda se basará en las tecnologías y recursos existentes, y tomará mucho menos tiempo. Arapetyan explicó en un comunicado de prensa lo siguiente:

Estamos buscando moléculas formadas por las condiciones fundamentales necesarias para la existencia de la vida, en particular, el nitrógeno molecular, que constituye el 78% de nuestra atmósfera. Estas son moléculas básicas biológicamente amigables capaces de emitir potentes ondas infrarrojas, lo que aumenta nuestras posibilidades de detectarlas.

Usando la Tierra como ejemplo, Hayrapetyan y su equipo desarrollaron un nuevo método para buscar signos de subproductos como vapor de agua, nitrógeno y oxígeno en atmósferas de exoplanetas. Pero la parte más difícil es aprovechar los eventos extremos del clima espacial que ocurren en estrellas enanas activas. Estos eventos exponen las atmósferas planetarias a destellos de radiación y causan reacciones químicas que los astrónomos pueden ver.


La idea del artista de una estrella roja fría sobre un exoplaneta distante

Para estrellas como nuestro Sol, una enana amarilla de clase G, tales eventos climáticos a menudo ocurren en su juventud. Pero otras estrellas amarillas y anaranjadas permanecen activas durante miles de millones de años y se producen tormentas de partículas cargadas de alta energía en ellas. Y las enanas rojas de clase M, las estrellas más comunes en el universo, permanecen activas durante toda su larga vida, bombardeando periódicamente sus planetas con mini flashes.

Al llegar a los exoplanetas, las erupciones reaccionan con la atmósfera y conducen a la descomposición del nitrógeno N ₂ y el oxígeno O ₂ en átomos, y el vapor de agua en hidrógeno y oxígeno. El nitrógeno y el oxígeno descompuestos provocan una cascada de reacciones químicas con la aparición de hidroxilo OH, más oxígeno molecular O ₂ y óxido nítrico NO: estos son sus científicos que llaman señales atmosféricas.

Estas moléculas absorben la energía de la luz de una estrella que llega a la atmósfera y emiten radiación infrarroja. Al estudiar ciertas longitudes de onda de esta radiación, los científicos pueden determinar la presencia de químicos específicos. La intensidad de la señal de estos elementos también indica la presión atmosférica. Juntos, los datos obtenidos permiten a los científicos determinar la densidad y la composición de la atmósfera.

Durante décadas, los astrónomos han utilizado un modelo para calcular la formación de ozono de O ₃ en la atmósfera de la Tierra a partir del oxígeno expuesto a la radiación solar. El mismo modelo, teniendo en cuenta los eventos climáticos esperados de las estrellas activas frías, permitió a Hayrapetyan y sus colegas calcular exactamente cuánto óxido nítrico e hidroxilo deberían formarse en la atmósfera similar a la tierra y cuánto ozono debería destruirse.


Nave espacial TIMED de la NASA observando la atmósfera de la Tierra durante 15 años (Figura)

Para hacer esto, tomaron datos de la misión Termosfera Ionosfera Mesosfera Dinámica Energética ( TIMED ), estudiando la formación de tales señales atmosféricas en la atmósfera de la Tierra. Específicamente, utilizaron datos de la herramienta SABRE , que les permitió simular qué radiación infrarroja de los químicos de señal se puede obtener en atmósferas de exoplanetas.

Como señaló Martin Mlynczak, supervisor de investigación en el Centro de Investigación Langley y coautor de:

Considerando lo que sabemos sobre la radiación infrarroja proveniente de la atmósfera de la Tierra, decidimos estudiar exoplanetas y ver qué señales podemos detectar de ellos. Si encontramos señales de exoplanetas que vienen en aproximadamente las mismas proporciones que las de la Tierra, podemos decir que este planeta es un buen candidato para mantener la vida.

Descubrieron que la frecuencia de tormentas estelares fuertes está directamente relacionada con la intensidad de las señales térmicas que provienen de las sustancias señal en la atmósfera. Cuantas más tormentas suceden, más moléculas de señal se crean, como resultado de lo cual sus señales son lo suficientemente fuertes como para ser visibles desde la Tierra utilizando telescopios espaciales en solo dos horas de observación.


Vista del exoplaneta desde su luna (en opinión del artista)

También descubrieron que este método nos permite eliminar exoplanetas que no tienen un campo magnético similar a la Tierra que interactúa naturalmente con partículas cargadas del Sol. La presencia de tal campo asegura que la atmósfera no se aleje del planeta y, por lo tanto, es necesaria para la habitabilidad. Como explicó Hayrapetyan:

El planeta necesita un campo magnético que proteja la atmósfera de las tormentas de estrellas y la radiación. Si los vientos estelares no son tan fuertes como para presionar el campo magnético del exoplaneta contra su superficie, el campo magnético evita la pérdida de la atmósfera, quedan más partículas en él, lo que da una señal infrarroja más fuerte.

Este modelo es importante por muchas razones. Muestra cómo los estudios detallados de la atmósfera de la Tierra y sus interacciones con el clima espacial se utilizan para estudiar los exoplanetas. También puede permitir nuevos estudios sobre la idoneidad para la vida de los exoplanetas disponibles para estrellas de ciertas clases, tanto en amarillo como en naranja, y en enanas rojas frías.

Las enanas rojas son las estrellas más comunes en el universo. En galaxias espirales, su orden es del 70%, y en galaxias elípticas: 90%. Además, según descubrimientos recientes, los astrónomos aprecian mucho la probabilidad de que aparezcan sistemas de enanas rojas en planetas rocosos. El equipo de investigación también sugiere que los instrumentos espaciales de próxima generación, como el telescopio James Webb , aumentarán la probabilidad de encontrar planetas habitados utilizando este modelo.


Como artista, imagina un planeta en órbita alrededor de una estrella Alpha Centauri B, un miembro del sistema estelar triple más cercano a la Tierra.

Como dijo William Danchi, astrofísico del Centro Goddard y coautor del estudio:

Las nuevas ideas sobre la posibilidad de vida en exoplanetas dependen en gran medida de la investigación interdisciplinaria, que utiliza datos, modelos y tecnologías obtenidos de las cuatro divisiones del Centro Goddard: heliofísica, astrofísica, ciencias planetarias y terrestres. Esta mezcla genera formas únicas y prometedoras para estudiar exoplanetas.

Antes de que podamos estudiar los exoplanetas directamente, cualquier desarrollo que haga que los biomarcadores sean más visibles y fáciles de detectar sigue siendo extremadamente importante. En los próximos años, los proyectos Project Blue y Breakthrough Starshot esperan realizar la primera investigación directa del sistema Alpha Centauri. ¡Pero por ahora, los modelos mejorados que nos ayudan a buscar exoplanetas potencialmente poblados de innumerables estrellas no tienen precio!

¡No solo mejoran en gran medida nuestro conocimiento de la frecuencia de ocurrencia de tales planetas, sino que incluso pueden ayudarnos a encontrar uno o más de los planetas Tierra 2.0!