El extraño caso de los planetas con forma de globos oculares


Los humanos han imaginado durante mucho tiempo cómo sería la vida en otro mundo. Y a medida que entramos en la era dorada del descubrimiento de exoplanetas, la búsqueda de la Tierra 2.0 se reanudó, un gemelo de nuestro planeta que orbita dentro de la zona habitable de su estrella. Pero hasta ahora, las búsquedas han resultado vacías, lo que lleva a los científicos a usar un pensamiento innovador para encontrar otro refugio para la vida en el universo.

La zona habitable, o zona Goldilocks, es la región que rodea a una estrella donde puede existir agua en la superficie de un planeta o luna en órbita. Cuanto más caliente es la estrella, más lejos se encuentra su zona habitable. Tome las enanas rojas, por ejemplo: de los cientos de miles de millones de estrellas en nuestra galaxia, los astrónomos estiman que alrededor del 80 por ciento de ellas son enanas rojas. Con solo 0,08 a 0,5 veces la masa del Sol, estas estrellas solo alcanzan temperaturas superficiales de alrededor de 4000 a 6700 grados Fahrenheit (2200 a 3700 grados Celsius). Por lo tanto, la zona habitable está bastante cerca de estas estrellas.

Esa proximidad hace que sea mucho más fácil detectar cualquier planeta que pase frente a la pequeña estrella, ya que tales eclipses tienden a bloquear una gran fracción de la luz de las estrellas y dejan clara la presencia de un exoplaneta. Durante su misión de nueve años, el telescopio espacial Kepler de búsqueda de planetas encontró 2.709 planetas a través de este método de tránsito; otros 2.057 aún están a la espera de confirmación. Y la mayoría de los hallazgos de Kepler son mundos que giran cerca de soles enanos rojos, algunos de los cuales son similares en tamaño al nuestro.

Visto desde una luna cercana, un mundo oceánico cerrado por mareas hierve a fuego lento bajo la luz de su sol enano rojo. El mar a lo largo del terminador, el límite entre el día y la noche, se congela a medida que se acerca al frío lado nocturno, pero las temperaturas en el punto directamente debajo de la estrella pueden ser bastante templadas, con océanos líquidos aptos para la vida.
Miguel Carroll

Entre estos exoplanetas similares a la Tierra, existe una clase extraña conocida como planetas globo ocular. Estos mundos orbitan tan cerca de sus soles que están bloqueados por mareas, con un hemisferio siempre mirando hacia la estrella y el opuesto en la noche eterna. Los científicos están comenzando a darse cuenta de que los mundos del globo ocular son más que simples curiosidades: son clave para comprender cómo podría ser la vida común en el universo. Su disposición de un lado siempre iluminado y siempre oscuro provoca un clima fascinante y condiciones superficiales inusuales. Estas características pueden hacer que los planetas del globo ocular dentro de la zona Goldilocks sean los principales candidatos para albergar vida, pero también podrían hacer que los planetas habitables sean inhóspitos.

Ojos oceánicos

Después de fusionarse alrededor de su estrella, un planeta tiene algo de giro. Pero con el tiempo, la gravedad de la estrella anfitriona atrae al mundo, ralentizando la rotación del cuerpo hasta que se bloquea por marea. Tenemos un buen ejemplo de tal rotación sincrónica en nuestro propio porche cósmico: la Luna orbita la Tierra una vez al mes y tarda la misma cantidad de tiempo en girar una vez sobre su eje. Esto significa que siempre vemos la misma cara de nuestra Luna.

Inicialmente, los planetas del globo ocular obtuvieron su apodo cuando los astrónomos notaron que en la zona habitable, los mundos bloqueados por mareas cubiertos por agua se congelarían comenzando en el terminador (el borde de la noche) mientras que los mares permanecerían despejados cerca del punto subestelar (el punto que mira directamente la estrella). Este océano central azul oscuro rodeado de hielo marino da la apariencia de un globo ocular.

A medida que los astrónomos acumularon descubrimientos de exoplanetas en los últimos 30 años, se dieron cuenta de que los planetas del globo ocular pueden ser abundantes entre los sistemas planetarios y que una amplia gama de mundos pueden adoptar la forma de un globo ocular. Un ejemplo común son las súper-Tierras, mundos que son más grandes que la Tierra pero más pequeños que Neptuno.

Allison Youngblood, astrofísica del Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland, ha estado utilizando el Telescopio Espacial Hubble para estudiar súper-Tierras que orbitan cerca de enanas rojas. «Hay alguna evidencia de súper-Tierras con atmósferas espesas y algunas con atmósferas delgadas o sin atmósferas», pero las observaciones apuntan a que muchos de estos mundos están «realmente nublados y brumosos», dice. Esto dificultaría la detección de vida, pero algunos astrónomos creen que, en el escenario correcto, las supertierras son las más prometedoras para la vida más allá del sistema solar.

En un planeta globo ocular cubierto por océanos, puede haber una región cerca del terminador donde el lado nocturno helado da paso al agua líquida.
NASA/JPL-Caltech/T. Pylé (IPAC)

Uno de esos escenarios está en las súper-Tierras del globo ocular. Es probable que estos mundos estén cubiertos por vastos océanos. En el hemisferio nocturno, el planeta sufre condiciones árticas mientras que el lado diurno se sofoca, el calor quema las nubes y, en escenarios extremos, el océano mismo. La habitabilidad de un planeta así depende de muchos factores, incluida la temperatura diurna/nocturna, la actividad de la estrella anfitriona, la densidad de la atmósfera del planeta e incluso la salinidad del océano.

Da la casualidad de que un objetivo principal para la habitabilidad se encuentra justo en nuestra puerta trasera interestelar. Proxima b es una supertierra de globo ocular que orbita dentro de la zona habitable de Proxima Centauri, la estrella más cercana a nuestro sistema solar. Un estudio de 2017 publicado en Astrobiology modeló los climas potenciales del exoplaneta, asumiendo una variedad de condiciones. Los investigadores concluyeron que una Proxima b «con una atmósfera similar a la de la Tierra moderna puede tener un clima habitable con una amplia región de océano abierto, que se extiende hasta el lado nocturno».

La extensión del océano depende de la cantidad de sal asumida en el agua, pero incluso con un océano con alta salinidad, Próxima b teóricamente podría albergar vida. Uno solo tiene que mirar hasta el infame Mar Muerto de la Tierra, donde la vida ha encontrado una manera de prosperar a pesar de una concentración de sal superior al 30 por ciento. Por lo tanto, no es imposible que las bacterias amantes de la sal también existan en Proxima b en este escenario.

TRAPPIST-1 e

Distancia a la Tierra: 41 años luz
Masa: 0,69 Tierras
Radio: 0,92 veces la Tierra
Año: 6,1 días

Miembro de uno de los sistemas estelares más famosos, TRAPPIST-1 e es uno de los siete exoplanetas alrededor de Trappist-1. Varios de los mundos pueden ser planetas globo ocular. Pero aunque todos los planetas también podrían tener agua, solo tres se encuentran firmemente dentro de la zona habitable de la estrella.

Una fase estelar temprana, caliente y brillante puede haber causado que todos los planetas en evolución se pareciera a Venus: cualquier océano primitivo se evaporó hace mucho tiempo, dejando atrás una atmósfera espesa e inhabitable. Pero según un estudio de 2018 publicado en Astrophysical Journal, es más probable que Trappist-1 e haya logrado retener agua, tal vez incluso albergando un océano similar a la Tierra.

Los siete planetas de Trappist-1 tienen densidades similares, lo que hace que el sistema sea muy diferente al nuestro. Tales densidades similares sugieren que los planetas también tienen composiciones similares. El Telescopio Espacial James Webb podrá sondear más en las atmósferas de estos exoplanetas, en busca de elementos que puedan insinuar la presencia de vida.

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Los océanos abiertos no son las únicas condiciones superficiales posibles para Proxima b. Un artículo publicado en Nature Astronomy en 2019 sugiere que los océanos debajo del punto subestelar podrían congelarse debido a la dinámica del hielo marino. Al modelar las condiciones en Proxima b, los investigadores descubrieron que a medida que el hielo marino se desplaza hacia aguas más cálidas, el hielo enfría el océano a medida que se derrite. Gradualmente, más y más océano se congela, incluso en el lado diurno. En ese momento, solo una atmósfera con abundantes gases de efecto invernadero podría evitar el congelamiento global.

Pero, según Eric Wolf, investigador asociado del Laboratorio de Física Atmosférica y Espacial en Boulder, Colorado, otros modelos han mostrado el escenario opuesto. Así como el hielo puede desplazarse de regiones frías a regiones cálidas, las aguas calientes también pueden servir como transportadores de calor de regiones cálidas a regiones frías y derretir el hielo, calentando el clima. “Dependiendo de los detalles”, dice Wolf, “el clima podría ser, literalmente, cualquier cosa, desde los estados fríos y helados que muestra [el estudio de 2019] hasta mundos similares a Venus, calientes y dominados por el CO2, o incluso podrían verse como [ La luna de Saturno] Titán con [metano] y neblina”. Sin mencionar que si los continentes se incluyen en la mezcla, agrega, “todas las apuestas están canceladas porque la presencia y ubicación de los continentes.

Entonces, incluso si un planeta del globo ocular se encuentra dentro de la zona habitable, su superficie puede variar ampliamente desde un océano infinito hasta un páramo helado.

Lugares sólidos como una roca

Mientras que los planetas del globo ocular de la súper Tierra son orbes cubiertos de océanos envueltos en atmósferas densas, los mundos más pequeños, similares a la Tierra, tienen superficies más rocosas. Donde la estrella del planeta brilla en lo alto, las condiciones del desierto cubren el paisaje. Más cerca del lado nocturno, el ambiente se vuelve más clemente, quizás permitiendo que haya agua líquida dentro de esa zona crepuscular. También dentro de esa región crepuscular, siempre que el planeta tenga suficiente atmósfera con fuertes corrientes de viento, la superficie puede permanecer por encima del punto de congelación. Pero si el aire es escaso o está estancado, las temperaturas caerán precipitadamente, incluso si el planeta se encuentra en el borde interior de la zona habitable de su estrella.

En los planetas con globos oculares más pequeños, las condiciones desérticas probablemente prevalecen en el lado diurno, mientras que el lado nocturno del mundo se congela. El terminador puede ser un refugio para la vida potencial, ya que allí podría existir agua líquida.
ESO/L. Calçada

Sin embargo, estos planetas de globo ocular más pequeños enfrentan un problema mayor que la temperatura en términos de habitabilidad: la erosión atmosférica. Una atmósfera es crucial para la supervivencia de la vida, pero, al orbitar cerca de sus soles enanos rojos, estos pequeños mundos se enfrentan a feroces vientos estelares que pueden arrasar incluso con las atmósferas más densas. El experto en exoplanetas Avi Mandell del Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA señala que «siempre se erosionará cierta cantidad de atmósfera; estamos perdiendo parte de la atmósfera de la Tierra todo el tiempo debido a nuestro propio Sol». Pero, si no se repone lo suficientemente rápido por los gases que se escapan del interior del planeta, una atmósfera puede perder los compuestos que se necesitan para sustentar la vida, o simplemente evaporarse por completo.

Proxima Centauri b

Distancia a la Tierra: 4,2 años luz
Masa: 1,27 Tierras
Radio: estimado 1,08 veces la Tierra
Año: 11,2 días

Proxima Centauri b, a menudo abreviado como Proxima b, es una súper Tierra descubierta a través del sutil bamboleo de Proxima Centauri. A medida que la estrella es atraída y alejada de nosotros por su planeta invisible, su luz se desplaza hacia el extremo azul y luego hacia el extremo rojo del espectro, respectivamente. Proxima Centauri es también el hogar de otros dos planetas.

Proxima b, probablemente un gran mundo terrestre, se encuentra dentro de la zona habitable de su estrella. Pero el planeta probablemente recibe episodios de radiación ultravioleta cientos de veces mayores que los que recibe la Tierra del Sol. Esta radiación puede haber eliminado la atmósfera de Próxima b.

Incluso si Proxima b tiene una atmósfera, es difícil modelar la superficie del planeta porque los científicos no conocen su radio. La mayoría de los exoplanetas se han encontrado utilizando el método de tránsito, cuando el mundo pasa frente a su estrella. Esta técnica también permite a los investigadores medir el radio de un exoplaneta. Pero no se sabe que Proxima b transite, por lo que se desconoce su radio.

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Youngblood sugiere que la cantidad de pérdida atmosférica dependerá del tipo de escape atmosférico que se esté produciendo. El escape más problemático se conoce como escape hidrodinámico. Hoy, solo un puñado de átomos diferentes escapan de la Tierra desde la parte superior de la atmósfera. Pero en el caso del escape hidrodinámico, ese goteo se convierte en un chorro, con átomos que escapan actuando como un fluido que arrastra átomos y moléculas aún más pesados a lo largo del viaje. En última instancia, este tipo de escape atmosférico es impulsado por el calor y, una vez que un planeta llega a este punto, no hay forma de detener la erosión. Los investigadores creen que este fenómeno podría explicar las atmósferas planetarias que parecen misteriosamente desprovistas de oxígeno, nitrógeno y gases nobles más pesados.

55 Cancri e probablemente tiene una atmósfera más densa que la nuestra, ocultando su superficie cubierta de lava de nuestra vista.

Pero hay formas de evitar esta pérdida desbocada, dando vida en los pequeños planetas del globo ocular como un salvavidas. Es probable que tanto Venus como la Tierra hayan visto un escape hidrodinámico al principio de su evolución, pero hoy en día han logrado retener atmósferas densas. Según Youngblood, mitigar la erosión atmosférica «depende en parte de la composición de la atmósfera: qué átomos o moléculas están presentes en lo alto de la atmósfera que absorben la radiación estelar que impulsa el escape».

Un ejemplo de cómo pueden verse varias condiciones atmosféricas en un globo ocular pequeño se encuentra a solo 40 años luz de distancia. El sistema TRAPPIST-1 es famoso por albergar siete exoplanetas similares a la Tierra. De ellos, TRAPPIST-1 e es un mundo de globo ocular pequeño y el que tiene más probabilidades de ser adecuado para una vida similar a la humana, según un estudio de 2017 publicado en The Astrophysical Journal Letters.

El estudio modeló cómo se vería el mundo bajo una variedad de condiciones atmosféricas. Sin gases de efecto invernadero, TRAPPIST-1 e sería un mundo frío, pero incluso con una atmósfera delgada, el mundo podría permanecer habitable en el punto subestelar. Las condiciones se calientan si el planeta alberga una atmósfera similar a la de la Tierra, pero se vuelven inhóspitas con relativa rapidez a medida que se inyecta más dióxido de carbono en la atmósfera modelada.

Por lo tanto, incluso los exoplanetas de globo ocular desafiados atmosféricamente podrían contener regiones de habitabilidad en las condiciones adecuadas.

55 Cancri E

Distancia a la Tierra: 41 años luz
Masa: 7,99 Tierras
Radio: 1,9 veces la Tierra
Año: 0,7 días
Orbitando una estrella llamada Copérnico (también conocida como 55 Cancri A, o simplemente 55 Cancri), 55 Cancri e es inhabitable, gracias a una superficie fundida con una temperatura superior a los 3.000 grados Fahrenheit (1.600 grados Celsius).

Cuando se descubrió el planeta por primera vez, los investigadores sugirieron que la alta proporción de carbono a oxígeno de su estrella anfitriona podría indicar que 55 Cancri e estaba cubierto por una gruesa capa de diamante. Pero un análisis posterior mostró que Copérnico contiene más oxígeno que carbono después de todo, eliminando esta posibilidad fantasiosa.

JWST: El oftalmoscopio

Los expertos en globos oculares ahora tienen una nueva herramienta: el telescopio espacial James Webb (JWST). La investigadora de planetas exteriores Heidi Hammel, miembro del equipo JWST, espera nuevas revelaciones del poderoso observatorio. “La fuerza de Webb está en la química atmosférica; será complementario a lo que está haciendo el Telescopio Espacial Hubble”, dice ella. Hubble ve desde el ultravioleta hasta el infrarrojo cercano, pero Webb es sensible a una parte diferente del infrarrojo.

Los investigadores ya planean usar JWST para observar varios candidatos a planetas del globo ocular. En algunos casos, Webb observará un planeta mientras transita por su estrella. Cuando un mundo se mueve frente a su estrella, es posible no solo detectar el planeta, sino también determinar qué moléculas existen en su atmósfera. Así como el planeta bloquea la luz de las estrellas con su superficie sólida, las moléculas de la atmósfera también pueden absorber la luz del sol del planeta, creando huecos en el espectro de luz que recibimos de la estrella. El estudio de estas longitudes de onda perdidas de la luz de las estrellas puede dar a los científicos una idea de la composición química de la atmósfera del planeta.

En otros casos, JWST observará un planeta a medida que pasa detrás de su estrella, una técnica eficaz para medir la cantidad de luz total del sistema reflejada por el lado diurno del planeta. Esto puede dar a los investigadores una idea tanto de la composición química de un mundo como de su temperatura.

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LHS 1140 B

Distancia a la Tierra: 48,8 años luz
Masa: 6,4 Tierras
Radio: 1,6 veces la Tierra
Año: 24,7 días
Descubierto en 2017, LHS 1140 b es prometedor como exoplaneta similar a la Tierra por varias razones. A 0,1 unidades astronómicas (AU, donde 1 AU es la distancia media entre la Tierra y el Sol) de su estrella, LHS 1140 b está dentro de la zona habitable y recibe el 46 por ciento de la radiación de su estrella que la Tierra recibe del Sol.

Un océano de lava podría cubrir la superficie del planeta, según un estudio de 2017 publicado en Nature. Sin embargo, en lugar de impedir la habitabilidad, la lava podría introducir vapor en la atmósfera de LHS 1140 b, reponiendo el planeta con agua. Un estudio de 2020 en Astronomy and Astrophysics sugiere que la habitabilidad en LHS 1140 b depende de la composición de su atmósfera, con vida posiblemente capaz de sobrevivir en atmósferas dominadas por nitrógeno, hidrógeno y dióxido de carbono.

Los investigadores esperan usar JWST para obtener más información sobre la atmósfera de LHS 1140 b.

Actualmente, los modelos climáticos pueden variar ampliamente a medida que los científicos van más allá de los estrictos modelos centrados en la Tierra que han utilizado en el pasado. Al agregar nuevos datos de JWST, los científicos podrán imponer más restricciones a los modelos atmosféricos que se pueden aplicar a un planeta del globo ocular, dándoles una mejor idea de qué condiciones pueden existir en su superficie.

JWST ya está programado para estudiar muchos planetas del globo ocular que Hammel llama «los sospechosos habituales». Ella dice: «Cualquiera de los sistemas de exoplanetas que pueda nombrar son objetivos para Webb, como los planetas TRAPPIST o 55 Cancri e, por lo que hay alrededor de 68 exoplanetas en la lista, incluidos cinco o seis terrestres en zonas habitables». Y algunos de ellos son planetas globo ocular.

Si bien las condiciones serían diferentes a las de la Tierra, la vida extraterrestre podría existir bajo cielos tan exóticos. Y podían ver una plétora de paisajes: páramos helados, montañas escarpadas, desiertos resecos u océanos de horizonte a horizonte. Solo el tiempo dirá qué formas extrañas y maravillosas podría tomar la vida bajo el furioso resplandor de un sol enano rojo.

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