¿Son habitables los planetas bloqueados por mareas a las enanas rojas? Es complicado

Los astrónomos están muy interesados en las enanas rojas y los planetas que las orbitan. Hasta el 85% de las estrellas de la Vía Láctea podrían ser enanas rojas, y el 40% de ellas podrían albergar exoplanetas similares a la Tierra en sus zonas habitables, según algunas investigaciones.

Pero hay algunos problemas con su habitabilidad potencial. Uno de esos problemas es el bloqueo de marea.

Las estrellas enanas rojas a veces se denominan «enanas M», pero los términos pueden volverse un poco confusos.

La confusión entre los términos enana roja y enana M proviene de la temperatura y la masa. Una definición de enana roja es sinónimo de enana M, basada en una temperatura máxima de 3900 K y una masa máxima de 0,6 masas solares.

Otra definición de enana roja incluye estrellas más calientes con una temperatura máxima de 5200 K y una masa máxima de 0,8 masas solares. Esta definición incluye todas las estrellas de secuencia principal de tipo K, que también se denominan enanas K.

Otra definición de enana roja incluye solo una parte de la clasificación de enanas K, y otra más incluye algunas enanas marrones.

El diagrama de Hertzsprung-Russell muestra cómo se superponen las definiciones.

En general, las enanas rojas son las estrellas más pequeñas y frías de la secuencia principal. Debido a que son objetos de tan poca masa, se desarrollan lentamente y viven mucho tiempo. Las menos masivas entre ellas pueden mantener una luminosidad constante durante billones de años, pero todavía no hay enanas rojas tan antiguas en el Universo.

Independientemente de cómo los astrónomos los definan, hay muchísimos de ellos. Si la estimación de 250 mil millones de estrellas en la Vía Láctea es precisa, entonces 212 mil millones de ellas podrían ser enanas rojas. Los astrónomos creen que la población estelar de enanas rojas alberga muchos planetas rocosos en sus zonas habitables. Esta es la razón por la cual la comunidad astronómica hace un esfuerzo tan importante para estudiar las enanas rojas: son el tarro de galletas de exoplanetas de la Vía Láctea.

Las enanas rojas son pequeñas y tenues. Otras estrellas pueden ser tan brillantes que es casi imposible detectar planetas pequeños cuando transitan frente a ellos. Pero las enanas rojas son mucho menos brillantes, por lo que su luz no crea el mismo obstáculo. La misma oscuridad los hace difíciles de observar desde grandes distancias, pero los astrónomos han desarrollado formas de trabajar con estas restricciones.

El Observatorio Europeo Austral (ESO) ejecuta un proyecto llamado SPECULOOS, la Búsqueda de planetas habitables EClipsing ULtra-cOOl Stars. SPECULOOS es un sistema de cuatro cámaras robóticas en el Observatorio Paranal.

La misión de SPECULOOS es simple: detectar planetas terrestres mientras transitan a través de estrellas pequeñas y frías en nuestro vecindario de la Vía Láctea. Hay otros intentos de encontrar enanas rojas y caracterizar su población. El estudio HARPS-N de exoplanetas enanos rojos (HADES) analizó los espectros de enanas M jóvenes y tranquilas. El venerable telescopio espacial Hubble también se ha puesto a trabajar con su programa de observación Habitable Zones and M dwarf Activity Through Time (HAZMAT). Debido a que las enanas rojas son tan numerosas, Kepler, TESS y otros han estudiado las enanas rojas como parte de sus observaciones.

Pero SPECULOOS y los demás no tienen el poder de estudiar las enanas rojas con gran detalle. Los planetas que detectan se convierten en objetivos para observaciones más profundas, con el Telescopio Espacial James Webb y poderosos telescopios terrestres en construcción en este momento. Esos telescopios pueden estudiar las atmósferas de estos planetas y revelar más pistas sobre la habitabilidad.

Este nuevo documento es parte del esfuerzo por reducir la lista de enanas rojas para un estudio más profundo con el JWST y otros. El tiempo de observación en estos telescopios tiene una gran demanda, y es esencial identificar objetivos que puedan responder preguntas específicas. “En preparación para las próximas observaciones, es cada vez más
Es importante que entendamos la gama completa de posibles climas planetarios de enanas M y sus perspectivas de habitabilidad”, escriben los autores.

Las observaciones de las enanas M han revelado mucho. Pero los astrónomos aún no tienen respuestas definitivas a algunas preguntas importantes sobre estas estrellas y la habitabilidad de sus planetas. ¿Brillan demasiado violentamente? ¿Emiten demasiada radiación ultravioleta y de rayos X potente? ¿Eliminan las atmósferas de las estrellas en sus zonas habitables?

Hay otra gran pregunta en torno a la habitabilidad de las enanas rojas: el bloqueo de mareas también llamado rotación síncrona.

Debido a que las enanas M no son muy luminosas, sus zonas habitables están más cerca que las estrellas como nuestro Sol. Los planetas deben estar cerca de las enanas M para estar en las zonas habitables más pequeñas. Pero esa proximidad los pone en el agarre gravitacional de sus estrellas, impidiendo que giren. Por lo tanto, es probable que los planetas en zonas habitables de enanas M estén bloqueados por mareas a sus estrellas.

Un nuevo estudio examinó los planetas enanos M bloqueados por mareas para comprender qué condiciones podrían hacer que sus regiones terminales sean habitables. El estudio es «Habitabilidad de Terminator: el caso de la disponibilidad limitada de agua en los planetas enanos M», y ha sido aceptado para su publicación en The Astronomical Journal. La autora principal es Ana Lobo, Ph.D. Candidato a la División de Ciencias Geológicas y Planetarias de Caltech.

Cuando un planeta está fijado por mareas a su estrella, crea lo que los científicos planetarios a veces llaman una región estelar del globo ocular. La parte del planeta que mira directamente a la estrella se calienta, pero más allá de la línea de terminación, no. Esto puede crear un planeta con agua líquida en el globo ocular estelar pero agua congelada en el resto.

Los autores del artículo explican el enfoque de su investigación en su introducción. “Estudios anteriores se han centrado en escenarios donde la habitabilidad fraccional se limita a la región subestelar o del “ojo”, pero en este artículo exploramos la posibilidad de planetas con habitabilidad terminadora, definida por la existencia de una banda habitable en la transición entre un abrasador lado diurno y un lado nocturno glacial”.

Los científicos se han preguntado acerca de los exoplanetas bloqueados por mareas y cómo podrían ser habitables desde los primeros días de los descubrimientos de exoplanetas. Las temperaturas extremas entre el día y la noche pueden no ser extremas si la atmósfera de un planeta circula lo suficiente. En exoplanetas con agua superficial significativa, el transporte de calor del océano podría afectar las temperaturas del lado diurno y nocturno, moderando potencialmente las temperaturas.

Pero, ¿qué proporciones de agua a tierra pueden crear una zona terminal habitable?

En este artículo, los autores modelaron exoplanetas con diferentes proporciones de cobertura de tierra y agua. Querían determinar cómo afectaba esa proporción a la banda de habitabilidad que rodeaba al planeta y que estaba centrada en el terminador.

Sin circulación atmosférica u oceánica, el lado nocturno de estos planetas bloqueados por mareas probablemente esté completamente congelado. Por el contrario, el lado diurno podría ver una concentración de vapor de agua que nunca se disipa, creando un efecto invernadero descontrolado. Pero dependiendo de cuánto calor pueda circular el planeta, la banda de habitabilidad alrededor del terminador podría ser más ancha o más delgada.

«En este artículo», escriben los autores, «exploramos el clima en el borde interior de la zona habitable de la enana M para determinar cómo cambia la habitabilidad fraccional a medida que las temperaturas diurnas comienzan a exceder los límites habitables». Aunque no hay una temperatura estrictamente definida que determine la habitabilidad, los autores trabajan con un rango de 0 a 50 grados centígrados.

El documento se centra en una estrella específica llamada AD Leonis. Eligieron AD Leonis no porque los exoplanetas la orbiten, sino porque es una estrella bien conocida que representa a las estrellas enanas rojas más brillantes, donde los astrónomos han encontrado la mayoría de los exoplanetas en zonas habitables. También está cerca del Sol, a solo 16 años luz de distancia, por lo que es relativamente fácil de observar. (AD Leonis es una estrella fulgurante conocida, pero su actividad fulgurante no formó parte de este estudio).

El equipo de investigadores realizó dos conjuntos de simulaciones para explorar la habitabilidad del terminador. Un conjunto involucró aquaplanetas con abundante agua, y el otro involucró planetas terrestres con agua limitada. El equipo comparó los resultados para examinar cómo estos planetas podrían ser habitables.

Utilizaron un planeta simulado llamado Aq34 como punto de partida porque, en este escenario simulado, tiene una constante solar similar a la de la Tierra y un clima diurno mayormente templado.

La investigación mostró que algunas de las variables producían efectos competitivos. Por ejemplo, una temperatura planetaria media más alta puede producir más vapor de agua que puede actuar como gas de efecto invernadero. Pero el aumento del vapor de agua también significa más cobertura de nubes. Eso puede aumentar el albedo del planeta, reflejando más energía estelar y ayudándolo a mantenerse más fresco.

Los autores señalan que para que un planeta tenga una zona terminadora habitable, debe tener una gran oscilación entre las temperaturas del lado diurno y nocturno. “Por definición, para que ocurra la habitabilidad del terminador, un planeta debe soportar grandes gradientes de temperatura entre el día y la noche”, escriben. Solo esa dinámica puede producir una región terminadora lo suficientemente amplia como para crear temperaturas habitables.

La investigación muestra que los planetas oceánicos simulados no pueden producir una región terminadora habitable. Cuanto más cerca está uno de estos planetas de la enana roja, mayor es su flujo estelar, lo que reduce la diferencia entre las temperaturas del lado diurno y nocturno. Esos planetas producirían un clima homogéneo antes de que el lado diurno alcanzara un efecto invernadero descontrolado. Nunca pasaron por un estado donde el terminador fuera habitable.

A los planetas con agua limitada les fue diferente. A medida que aumenta el flujo estelar, «… se pueden lograr fácilmente grandes gradientes de temperatura entre el día y la noche sin entrar en un estado de invernadero descontrolado», explican los autores. Eso ayuda a crear una zona de terminación habitable. “También encontramos que las configuraciones de planetas terrestres con agua limitada pueden ser favorables en términos de estabilidad climática a largo plazo”, lo que significa que el terminador podría ser habitable durante períodos prolongados.

«Descubrimos que un terminador templado no se puede lograr con simulaciones de acuaplanetas que buscan reproducir planetas cubiertos por océanos, pero que pueden ocurrir fácilmente en planetas terrestres con agua limitada», concluyen.

Los astrónomos tienen dificultades para determinar el contenido de agua de las enanas rojas. Los estudios de velocidad radial pueden medir cuánto tira un planeta de su estrella y pueden proporcionar cierta comprensión de la densidad del planeta cuando se combinan con medidas de tamaño. Es probable que un planeta de menor densidad tenga más agua. Pero esas medidas no son seguras.

Los astrónomos piensan que los exoplanetas con agua limitada pueden ser más abundantes que los planetas con abundante agua, pero se necesita más investigación para solidificar esa comprensión. Si es cierto, es un buen augurio para la habitabilidad, según esta investigación. «Por lo tanto, la habitabilidad del terminador puede representar una fracción significativa de los planetas enanos M habitables», escriben los autores.

Pero si un terminador habitable es más probable en exoplanetas con agua limitada, eso puede afectar la posibilidad de vida. La vida necesita agua, después de todo. “En general, la falta de agua superficial abundante en estas simulaciones podría
representan un desafío para que surja la vida en estas condiciones”, escribe el equipo.

Hay algunas variables de confusión en estos planetas. ¿Qué pasa si el agua disponible está encerrada en los glaciares del lado nocturno del planeta? ¿Qué pasa si la atmósfera es tan densa y mezclada de manera tan efectiva que el mundo entero está demasiado caliente? Esas preguntas pueden responderse gradualmente, pero solo con más investigación.

Necesitamos más investigación sobre los planetas enanos rojos y sus configuraciones tierra-agua. Este estudio es un buen punto de partida y puede ayudar a los astrónomos a elegir buenos objetivos para las observaciones de seguimiento con James Webb. Los autores reconocen las limitaciones de su trabajo en su comentario final.

«Esperamos que los estudios futuros que exploren una gama más amplia de configuraciones de planetas terrestres, en particular aquellos que utilicen generaciones futuras de modelos de superficie y hielo, encuentren una amplia gama de escenarios terminadores habitables en regímenes intermedios a los casos de agua limitada y acuaplanetas considerados aquí».

Con información de UniverseToday.com