Los mundos acuáticos podrían tener penachos de nutrientes transportados desde abajo


Los océanos de la Tierra son una solución electrolítica enorme y uniforme. Contienen sal (cloruro de sodio) y otros nutrientes como magnesio, sulfato y calcio. No podemos sobrevivir sin electrolitos, y la vida en la Tierra podría verse muy diferente sin el contenido de electrolitos de los océanos. Incluso podría ser inexistente.

En la Tierra, los electrolitos se liberan en los océanos desde las rocas mediante diferentes procesos, como el vulcanismo y la actividad hidrotermal.

Esta es una impresión artística de TRAPPIST-1e, un mundo acuático potencial. Planetas como este pueden tener mantos sumergidos de hielo a alta presión que actúan como una barrera para el flujo de nutrientes. Crédito de la imagen: por NASA/JPL-Caltech – Recortado de PIA22093: TRAPPIST-1 Planet Lineup – Actualizado en febrero de 2018

¿Estos nutrientes que permiten la vida están disponibles en los mundos acuáticos?

Los mundos acuáticos son exoplanetas con suficiente agua para formar una hidrosfera. Muchos de los exoplanetas que hemos descubierto son súper-Tierras y/o mini-Neptunos, y los científicos esperan que algunos de ellos sean mundos acuáticos. En esos planetas, los electrolitos probablemente juegan un papel similar en la habitabilidad que tienen en los océanos de la Tierra.

Pero el problema es que las súper-Tierras y los mini-Neptunos son más masivos que la Tierra, y sus interiores están bajo más presión que la Tierra. Estos planetas pueden formar profundos mantos de hielo planetario entre los núcleos rocosos y la superficie de los océanos. Estas barreras de hielo no son hielo normal. En cambio, son hielos de alta presión como el hielo VII, y ese hielo denso podría ser una barrera que evita que los electrolitos minerales esenciales se muevan de los núcleos a los océanos, donde estarían disponibles para la vida.

Este diagrama muestra cómo podría ser el interior de Ganímedes, la luna más grande del Sistema Solar. Las capas del océano con diferentes salinidades pueden estar intercaladas entre capas de hielo con diferentes estructuras. Crédito de la imagen: NASA/JPL–Caltech

Estas barreras de hielo de alta presión podrían limitar la habitabilidad de los mundos oceánicos. Pero un nuevo estudio sugiere que los electrolitos pueden fluir a través de estos mantos helados en los mundos acuáticos. Si esto es cierto, hay una razón más para ser optimista sobre la vida en estos mundos fascinantes.

El estudio es «La estabilidad del hielo salado a alta temperatura sugiere permeabilidad de electrolitos en mantos helados de exoplanetas ricos en agua». Está publicado en la revista Nature Communications, y el autor principal es Jean-Alexis Hernandez, investigador de la Instalación Europea de Radiación de Sincrotrón.

“Los electrolitos juegan un papel importante en la estructura interna y la dinámica de los satélites ricos en agua y los exoplanetas potencialmente ricos en agua”, comienza el artículo. «Sin embargo, en los planetas, se cree que la presencia de un gran manto de hielo a alta presión dificulta el intercambio y el transporte de electrolitos entre varias capas profundas líquidas y sólidas».

El hielo en estos mantos es diferente al hielo de la Tierra. Una serie de tipos de hielo se forman bajo presiones más altas en planetas más masivos. El hielo normal atmosférico de la Tierra se llama Hielo I. Los investigadores han creado otros tipos en experimentos de laboratorio, desde Hielo II hasta Hielo VII. En un experimento, los investigadores sometieron una gota de agua a una poderosa onda de choque y crearon Ice VII, aunque solo duró un momento.

En los mundos oceánicos que son súper-Tierras o mini-Neptunos, las capas más profundas del océano probablemente estén congeladas en hielos de alta presión como el Hielo VII. Ice VII es estructuralmente diferente a Ice I. En Ice VII, las moléculas de agua se rompen, los iones de oxígeno se cristalizan y los átomos de hidrógeno se mueven libremente en la red cristalina de oxígeno. Según las simulaciones del estudio, los nutrientes pueden llegar al hielo.

Ice VII tiene una característica importante en lo que respecta al transporte de nutrientes. Mientras que el hielo normal de la Tierra expulsa sal a medida que se forma, el hielo VII puede contener alrededor del 2,5% de NaCl en su estructura por peso. El NaCl en Ice VII reduce el punto de fusión del hielo y lo ablanda. Entonces, las corrientes de convección del interior del planeta pueden impulsar el NaCl hacia arriba a través del hielo y hacia el océano. Eso crea un diferencial de temperatura y el hielo se enfría y se hunde nuevamente. El resultado es una corriente de reciclaje de sal desde el interior rocoso del planeta, a través del manto de hielo hacia el océano y hacia abajo nuevamente.

Esto puede estar sucediendo en nuestro Sistema Solar. Los investigadores han encontrado evidencia de sales minerales hidratadas que tiñen la superficie de algunas de las lunas heladas. Lunas como Ganímedes, Calisto, Europa y Encelado probablemente tengan océanos subterráneos debajo de sus caparazones congelados, con mantos de hielo HP a diferentes profundidades que forman barreras entre sus núcleos rocosos y sus océanos. Entonces, los minerales que tiñeron las superficies fueron transportados a través de al menos una capa de hielo, tal vez más. Algunas de las lunas no son lo suficientemente masivas como para formar Ice VII, pero Calisto de Júpiter, Ganímedes y Titán de Saturno son lo suficientemente masivas como para formar mantos de hielo de alta presión.

Ganímedes es lo suficientemente masivo como para formar una o más capas de hielo a alta presión. Si este nuevo estudio es correcto, los electrolitos críticos pueden circular entre el núcleo rocoso de la luna y sus océanos, lo que aumenta las posibilidades de habitabilidad. Crédito de la imagen: por la Administración Nacional Oceánica y Atmosférica

Si los nutrientes como el cloruro de sodio pueden transportarse desde el interior rocoso de un planeta a través de una capa de hielo VII hasta el océano, podría cambiar las reglas del juego. De repente, hay más evidencia de que estos mundos oceánicos podrían albergar vida.

A medida que encontramos más exoplanetas, vemos más mundos acuáticos potenciales. El conocido sistema TRAPPIST-1 puede albergar varios de ellos (TRAPPIST-1e y TRAPPIST-1f son buenos candidatos), aunque los científicos no están seguros. Kepler-62e y Kepler-62f también son posibles mundos acuáticos.

Baptiste Journaux es investigador de la Universidad de Washington, donde estudia ciencias planetarias, incluidas las condiciones en los océanos planetarios profundos. Journaux escribió un comentario sobre este nuevo estudio en Nature Communications. En su artículo, dijo que los descubrimientos de exoplanetas muestran que los mundos oceánicos probablemente estén muy extendidos. Nuestro Sistema Solar tiene lunas oceánicas pero no mundos oceánicos. Y aunque dos tercios de la superficie de la Tierra son océanos, nuestro planeta está notablemente seco.

Estos nuevos resultados han aumentado el potencial de habitabilidad de todos los mundos oceánicos, según Journaux. “El estudio de Hernández et al. ofrece el argumento más convincente hasta ahora para resolver el dilema de la habitabilidad de la gran hidrosfera planetaria”.

El estudio de los exoplanetas oceánicos tiene que ver con simulaciones; no hay forma de observarlos con gran detalle. Pero el JWST podría empezar a cambiar eso. Es posible que pueda detectar huellas dactilares espectroscópicas de las interacciones entre la atmósfera de un planeta oceánico y su océano. Y más ayuda está en camino.

La NASA y la ESA están desarrollando misiones a algunas de las lunas heladas/oceánicas del Sistema Solar. El Explorador de lunas heladas de Júpiter (JUICE) de la ESA se lanzará en aproximadamente un año y llegará al sistema joviano en 2031. En 2034 entrará en órbita alrededor de Ganímedes, la luna más grande del sistema solar. Eventualmente se acercará a 500 km (310 millas) de la superficie de Ganímedes.

El Europa Clipper de la NASA está programado para lanzarse en 2024 y llegar a Júpiter en 2030. Aunque orbitará alrededor de Júpiter, estudiará Europa, otra luna oceánica con una capa helada.

Es probable que Ganímedes y Calisto sean lo suficientemente masivos como para formar mantos de hielo de agua a alta presión. Titán también lo es, pero está muy lejos, y aunque se habla de una misión a la luna más grande de Saturno, está lejos de ser seguro.

Las misiones a estas lunas comenzarán a probar algunas de las conclusiones del estudio. Si los electrolitos pueden transportarse a través de capas de hielo de alta presión en Ganímedes, será un hallazgo esencial a favor de la habitabilidad en los mundos acuáticos. Pero la vida requiere algo más que Na y Cl. Todavía no sabemos si otras moléculas importantes pueden atravesar estas barreras de hielo.

Las próximas misiones nos dirán mucho sobre las lunas oceánicas heladas de nuestro Sistema Solar y la permeabilidad de los mantos de hielo de alta presión. Algunos de los hallazgos también se extrapolarán a mundos oceánicos en otros sistemas solares. “Estas misiones no solo nos permitirán comprender mejor el funcionamiento interno de las hidrosferas de las lunas heladas, sino que serán clave para comprender los océanos más grandes de nuestro universo en exoplanetas ricos en agua, su potencial de habitabilidad y su futura caracterización por modernos y modernos. telescopios de próxima generación”, dijo Journaux en su artículo.

Los autores del nuevo estudio terminan hablando sobre algunos de los otros factores involucrados en la habitabilidad del mundo oceánico. Señalan que el transporte de electrolitos depende “… del tamaño real, la composición y la temperatura de la superficie del planeta considerado, lo que podría dar lugar a diferentes escenarios en la interfaz entre el océano y el manto de hielo, y entre el manto de hielo y el núcleo rocoso. ”

Muchos factores deben ser los correctos para que un planeta oceánico transporte nutrientes a la superficie del océano. Pero al menos demostraron con sus simulaciones que es posible.

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