Mirando hacia el futuro, la NASA y otras agencias espaciales tienen grandes esperanzas en el campo de la investigación de planetas extra-solares. En la última década, el número de exoplanetas conocidos ha alcanzado los 4000, y se espera que se encuentren muchos más una vez que se pongan en servicio los telescopios de la próxima generación. Y con tantos exoplanetas para estudiar, los objetivos de la investigación se han alejado lentamente del proceso de descubrimiento y hacia la caracterización.
Desafortunadamente, los científicos todavía están plagados por el hecho de que lo que consideramos una «zona habitable» está sujeto a muchas suposiciones. Al abordar esto, un equipo internacional de investigadores publicó recientemente un documento en el que indicaron cómo las futuras búsquedas de exoplanetas podrían ver más allá de los ejemplos análogos a la Tierra como indicaciones de habitabilidad y adoptar un enfoque más integral.
El documento, titulado «Habitable Zone predictions and how to test them», apareció recientemente en línea y se presentó como un informe oficial para el Astro 2020 Decadal Survey on Astronomy and Astrophysics de Ramses M. Ramirez, investigador del Earth-Life Science Institute (ELSI) y del Space Science Institute (SSI), estuvo a cargo de su equipo y contó con la colaboración de coautores y cofirmantes de 23 universidades e instituciones.
El propósito de la búsqueda decenal es considerar el progreso previo en varios campos de investigación y establecer prioridades para la próxima década. Como tal, la encuesta proporciona una guía crucial para la NASA, la National Space Foundation (NSF) y el Departamento de Energía a medida que planifican sus objetivos de investigación de astronomía y astrofísica para el futuro.
En la actualidad, muchos de estos objetivos se centran en el estudio de exoplanetas, que se beneficiarán en los próximos años del despliegue de telescopios de última generación como el Telescopio Espacial James Webb y el Wide-Field Infrared Space Telescope (WFIRST), así como observatorios terrestres como el TExtremely Large Telescope (ELT), el Thirty Meter Telescope y el Giant Magellan Telescope (GMT).
Una de las prioridades principales de la investigación de exoplanetas es buscar planetas donde pueda existir vida extraterrestre. En este sentido, los científicos designan a los planetas como «potencialmente habitables» (y, por lo tanto, dignos de observaciones de seguimiento) en función de si orbitan dentro de las zonas habitables (HZ) de sus estrellas o no. Por esta razón, es prudente echar un vistazo a lo que implica definir un HZ.
Como Ramírez y sus colegas indicaron en su documento, uno de los principales problemas con la habitabilidad del exoplaneta es la cantidad de suposiciones hechas. Para descomponerlo, la mayoría de las definiciones de HZ asumen la presencia de agua en la superficie, ya que este es el único disolvente conocido actualmente para albergar vida. Estas mismas definiciones asumen que la vida requiere un planeta rocoso con actividad tectónica que orbita una estrella adecuadamente brillante y cálida.
Sin embargo, investigaciones recientes han puesto en duda muchas de estas suposiciones. Esto incluye estudios que indican que el oxígeno atmosférico no significa automáticamente la presencia de la vida, especialmente si ese oxígeno es el resultado de la disociación química y no de la fotosíntesis. Otra investigación ha demostrado que la presencia de gas oxígeno durante los primeros períodos de la evolución de un planeta podría prevenir el aumento de formas de vida básicas.
Además, estudios recientes han demostrado que la tectónica de placas puede no ser necesaria para que surja la vida, y que los llamados «mundos del agua» pueden no ser capaces de sustentar la vida (pero aún así podrían). Además de todo esto, tiene un trabajo teórico que sugiere que la vida podría evolucionar en mares de metano o amoníaco en otros cuerpos celestes.
El ejemplo clave aquí es la luna Titán de Saturno, que presume de un entorno rico en condiciones prebióticas y química orgánica, que algunos científicos creen que podría respaldar formas de vida exóticas. Al final, los científicos buscan biomarcadores conocidos como el agua y el dióxido de carbono porque están asociados con la vida en la Tierra, el único ejemplo conocido de un planeta con vida.
Pero como Ramírez explicó a Universe Today por correo electrónico, esta mentalidad (donde los análogos de la Tierra se consideran adecuados para la vida) aún está llena de problemas:
«La definición clásica de zona habitable es defectuosa porque su construcción se basa principalmente en argumentos climatológicos centrados en la Tierra que pueden o no ser aplicables a otros planetas potencialmente habitables. Por ejemplo, se supone que las atmósferas de CO2 de barras múltiples pueden apoyarse en ambientes de planetas potencialmente habitables cerca del borde exterior de la zona habitable. Sin embargo, niveles tan altos de CO2 son tóxicos para las plantas y los animales de la Tierra, y por lo tanto, sin una mejor comprensión de los límites de la vida, no sabemos qué tan razonable es este supuesto. El HZ clásico también asume que el CO2 y el H2O son los gases de efecto invernadero clave que sostienen planetas potencialmente habitables, pero varios estudios en los últimos años han desarrollado definiciones de HZ alternativas que utilizan diferentes combinaciones de gases de efecto invernadero, incluidos aquellos que, aunque relativamente menores en la Tierra, podrían ser importantes para otros planetas potencialmente habitables».
En un estudio anterior, el Dr. Ramírez demostró que la presencia de metano y gas de hidrógeno también podría causar una advertencia global, y por lo tanto extender el HZ clásico un poco. Esto ocurrió apenas un año después de que él y Lisa Kaltenegger (profesora asociada del Instituto Carl Sagan en la Universidad de Cornell) produjeran un estudio que demostrara que la actividad volcánica (que libera gas hidrógeno a la atmósfera) también podría extender el HZ de una estrella.
Afortunadamente, los investigadores tendrán la oportunidad de probar estas definiciones, gracias al despliegue de los telescopios de próxima generación. No solo los científicos podrán probar algunas de las suposiciones de larga data en las que se basan las HZ, sino que también podrán comparar diferentes interpretaciones. Según el Dr. Ramírez, un buen ejemplo lo proporcionan los niveles de gas CO2 que dependen de la distancia de un planeta a su estrella:
«Los telescopios de próxima generación podrían probar la zona habitable buscando un aumento predicho en la presión atmosférica de CO2 cuanto más lejos estén los planetas potencialmente habitables de sus estrellas. Esto también probaría si el ciclo de carbonato-silicato, que es lo que muchos creen hizo que nuestro planeta sea habitable durante gran parte de su historia, es un proceso universal o n».
En este proceso, las rocas de silicato se convierten en rocas de carbono a través de la erosión, mientras que las rocas de carbono se convierten en rocas de silicato a través de la actividad volcánica y geológica. Este ciclo garantiza la estabilidad a largo plazo de la atmósfera terrestre al mantener los niveles de CO2 constantes a lo largo del tiempo. También ilustra que el agua y la tectónica de placas son esenciales para la vida tal como la conocemos.
Sin embargo, este tipo de ciclo solo puede existir en planetas que tienen tierra, lo que efectivamente descarta los «mundos del agua». Se cree que estos exoplanetas, que pueden ser comunes alrededor de las estrellas de tipo M (enanas rojas), son hasta un 50 por ciento de agua en masa. Con esta cantidad de agua en sus superficies, es probable que los «mundos acuáticos» tengan capas densas de hielo en su límite núcleo-manto, lo que evita la actividad hidrotermal.
Pero como ya se señaló, hay algunas investigaciones que indican que estos planetas aún podrían ser habitables. Si bien la abundancia de agua prevendría la absorción de dióxido de carbono por las rocas y suprimiría la actividad volcánica, las simulaciones han demostrado que estos planetas aún podrían ciclar el carbono entre la atmósfera y el océano, manteniendo así el clima estable.
Si estos tipos de mundos oceánicos existen, dice el Dr. Ramírez, los científicos podrían detectarlos a través de su densidad planetaria más baja y su atmósfera de alta presión. Y luego está la cuestión de varios gases de efecto invernadero, que no siempre son una indicación de atmósferas planetarias más cálidas, dependiendo del tipo de estrella.
«Aunque el metano calienta nuestro planeta, encontramos que el metano en realidad enfría las superficies de los planetas de zonas habitables que orbitan las estrellas enanas rojas. Si ese es el caso, las altas cantidades de metano en la atmósfera en tales planetas podrían significar condiciones de congelamiento que quizás no sean adecuadas para albergar vida. Podremos observar esto en los espectros planetarios».
Hablando de enanas rojas, el debate continúa sobre si los planetas que orbitan estas estrellas serían capaces o no de mantener una atmósfera. En los últimos años, los descubrimientos múltiples han sugerido que los planetas rocosos, bloqueados por la marea, son comunes alrededor de las estrellas enanas rojas, y que orbitan dentro de los HZ respectivos de sus estrellas.
Sin embargo, investigaciones posteriores han reforzado la teoría de que la inestabilidad de las estrellas enanas rojas probablemente daría lugar a erupciones solares que podrían despojar las atmósferas de los planetas que las orbitan. Por último, Ramírez y sus colegas plantean la posibilidad de que se puedan encontrar planetas habitables orbitando las estrellas de tipo A de la secuencia principal, que hasta hace poco se han considerado candidatos poco probables. Se pensaba que las estrellas de tipo A de la secuencia principal Sirius A, Altair y Vega eran demasiado brillantes y calientes para ser habitables.
Ramírez dice:
«También me interesa descubrir si existe vida en planetas de zonas habitables que orbitan A-stars. No se han publicado muchas evaluaciones de la habitabilidad planetaria en A-star, pero algunas arquitecturas de la próxima generación planean observarlas. Pronto aprenderemos más sobre la idoneidad de las A-star para la vida «.
En última instancia, estudios como este, que cuestionan la definición de «zona habitable», serán útiles cuando las misiones de la próxima generación comiencen operaciones científicas. Con instrumentos de mayor resolución y más sensibles, podrán probar y validar muchas de las predicciones que han hecho los científicos.
Estas pruebas también confirmarán si la vida podría existir o no solo como la conocemos, o también más allá de los parámetros que consideramos «similares a la Tierra». Ramírez dice que el estudio que él y sus colegas llevaron a cabo también destaca cuán importante es que continuemos invirtiendo en tecnología de telescopio avanzada:
«Nuestro documento también destaca la importancia de una inversión continua en la tecnología avanzada de telescopios. Necesitamos poder encontrar y caracterizar la mayor cantidad posible de planetas de zonas habitables si deseamos maximizar nuestras posibilidades de encontrar vida. Sin embargo, también espero que nuestro documento inspire a la gente a soñar más allá de los próximos 10 años, así que realmente creo que eventualmente habrá misiones que serán mucho más capaces que cualquier cosa que estemos diseñando actualmente. Nuestros esfuerzos actuales son solo el comienzo de un esfuerzo mucho más comprometido para nuestra especie».
La reunión de 2020 Decadal Survey será organizada conjuntamente por la Junta de Física y Astronomía y la Junta de Estudios Espaciales de la Academia Nacional de Ciencias, y será seguida por un informe que se publicará aproximadamente dentro de dos años.
El estudio científico ha sido publicado en arXiv.org.