Un futuro en las estrellas (II): Vida y habitabilidad planetaria

Tan importante como la detección de planetas ajenos al Sistema Solar es determinar si son aptos o no para la vida. Esto supone que el encontrar un nuevo planeta abre la puerta al estudio de las características que reflejen su capacidad para albergar vida. Este hecho no solo implica la posibilidad de finalmente descubrir otras formas de vida, sino encontrar los candidatos para una futura expansión de la humanidad hacia las estrellas.

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Fig. 1. Representación de un Mundo Gaia, extraído del videojuego Stellaris de Paradox

Pero, ¿cómo se determina si un planeta es apto para la vida? ¿Cuáles son las características y propiedades que determinan esta posibilidad? En esta segunda entrega del ciclo pretendo acercar una de las ramas más desconocidas de la astronomía, pero cuya importancia va aumentando considerablemente con el paso del tiempo: la astrobiología.

Un futuro en las estrellas (I): búsqueda y detección de exoplanetas

Antes de entrar en materia, me gustaría destacar un detalle acerca de dos elementos que aparecerán reiteradamente en el texto: la presencia de vida y la habitabilidad. Si bien muchos fenómenos afectan comúnmente a ambas situaciones, el concepto de habitabilidad conlleva una situación más restrictiva, especialmente cuando nos referirnos a organismos superiores más complejos. No obstante, no entraremos en detalle en estas diferencias ya que simplemente se abordarán aquellas situaciones que fomentan la existencia o no de vida.

¿Cuáles son los requisitos para albergar vida?

Cualquier organismo tiene un conjunto de necesidades básicas que deben ser cubiertas para poder habitar un territorio: desde la necesidad de alimento hasta unas condiciones climáticas favorables. No obstante, todos estos requisitos derivan de uno esencial, que condiciona y motiva el resto de los mismos: la existencia de una fuente de energía.
El primer punto en la determinación de la habitabilidad planetaria es el criterio energético, de forma que ciertos planetas o satélites son clasificados como potenciales soportes para la vida en función de los sistemas en los que se encuentran, así como su posición con respecto de su estrella.

Y es que de la misma forma que el Sol ha condicionado y posibilitado la aparición de la vida en la Tierra, las estrellas son consideradas la fuente de energía esencial para la existencia de vida en un astro. Cabe considerar la limitación de esta afirmación, ya que, dado que no se conoce ninguna forma de vida externa a nuestro planeta, los modelos generados derivan de las características de la Tierra.

Un sistema idóneo

Los criterios que determinan la idoneidad de un sistema son cuatro:

1 – La temperatura de la estrella

El rango de temperatura adecuado se encuentra entre los 4000 K y los 7000 K. Así, el Sol es una enana amarilla cuya temperatura de emisión en la superficie se encuentra en torno a los 6000 K. La radiación UV emitida por estas estrellas es suficiente para la aparición de fenómenos atmosféricos complejos, como la formación de ozono, pero sin llegar a afectar perjudicialmente a los organismos.

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Fig. 2. Tipos de estrellas en función de su lumnosidad y temperatura superficial

2 – La zona habitable (ZH)

La zona habitable es una sección de espacio en torno a dicha estrella, generalmente una franja, en la cuál es posible la existencia de agua líquida, recurso indispensable para la vida terrestre. Las estrellas con zonas habitables más estables son mejores candidatos para albergar planetas habitables en ellas, ya que esta zona puede variar a lo largo de la vida de una estrella. Así mismo, la presencia de gigantes gaseosos dentro de esta franja puede dificultar de astros más rocosos debido a la mayor atracción gravitatoria de estos.

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Fig. 3. Representación esquemática de la zona habitable en el Sistema Solar

3 – Estabilidad lumínica

Las estrellas pueden presentar fluctuaciones periódicas en su emisión radiativa a lo largo de su vida. Lógicamente esto afecta a los sistemas dinámicos de los planetas albergados. La habitabilidad de un planeta se encuentra relacionada con estas fluctuaciones, siendo favorecida por cambios radiativos menos acusados. Un ejemplo claro de como pueden afectar a un sistema como el de la Tierra son ciertas Edades de Hielo acaecidas en el pasado terrestre.

Un planeta adecuado

Además de los requisitos del sistema y su estrella, no todos los planetas o satélites son aptos para poder albergar vida o tener potencial habitable. De hecho, los planetas rocosos son los únicos que se consideran aptos, aunque existe cierta controversia acerca de la posibilidad de presencia de vida en las capas altas de los gigantes gaseosos.

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Fig. 4. Relación de masa y densidad de algunos exoplanetas descubiertos

Las características más importantes que condicionan este hecho se listan a continuación:

1 – Gravedad

La gravedad se encuentra íntimamente relacionada con la presencia de atmosfera. Un planeta con reducida gravedad no será capaz de retener moléculas gaseosas que, por ejemplo, pueden ser fácilmente barridas por los “vientos solares”.
Una atmosfera con una composición adecuada realiza funciones de gran importancia para la existencia de vida: es la base de muchos procesos metabólicos de los organismos, ofrece protección frente a la radiación, aísla térmicamente y permite la presencia de agua líquida.

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Fig. 5. Espectro de radiación solar. Comparación entre la energía recibida por la Tierra en el punto más alto de la atmosfera y la recibida a nivel de mar junto con las bandas de absorción gaseosa

2 – Tectónica

Los sistemas tectónicos se mueven gracias a la energía interna de formación del planeta. Permiten el movimiento de materiales y nutrientes, así como su reciclado. Los planetas que han perdido la energía de su formación o bien presentan tectónicas poco dinámicas presentarían dificultades para poder albergar vida.

3 – Movimientos planetarios

De la misma forma que las fluctuaciones radiativas de la estrella afectan a la habitabilidad de un planeta, la orbita descrita por el planeta afecta a la energía recibida por el mismo en su movimiento. Aquellos planetas con una órbita muy excéntrica presentan una fuerte fluctuación radiativa recibida. Este hecho es especialmente crítico en el momento que se superan los márgenes de congelación y ebullición del agua (por ejemplo, periodos de congelación oceánicos). En cuanto a los movimientos rotacionales, si bien la importancia de los mismos se ve eclipsada por la de los movimientos de traslación, la existencia de periodos nocturnos prolongados acentuaría las diferencias de temperatura entre el lado iluminado y oscuro.

4 – Inclinación del eje de rotación

Este hecho se encuentra íntimamente ligado con la presencia de estaciones. Mientras los cambios estacionales moderados fomentan y estimulan el desarrollo de procesos bióticos y metabólicos, es lógico pensar que cambios estacionales severos generan el efecto contrario. Por tanto, un ángulo de inclinación excesivo que como consecuencia produzca cambios estacionales severos reduce ostensiblemente la habitabilidad del planeta.

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Fig. 6. Detección de presencia de compuestos a traves del analisis espectral en varios planetas interiores

5 – Composición planetaria

Mientras que los demás puntos se basan en la universalidad del hecho del requerimiento energético, es en este punto donde los científicos sólo pueden considerar la estructura y composición de la vida en la Tierra como una referencia a la posible vida extrasolar. La base de las macromoléculas biológicas consta de cuatro elementos: C, H, N y O. Si bien es cierto que no se descarta la existencia de formas de vida basadas en otros elementos, los científicos se apoyan en el hecho de que estos elementos son los más abundantes del universo. Los planetas que poseen en mayor proporción estos elementos en su composición, son mejores candidatos para albergar vida.

Una búsqueda incesante

El pasado Octubre de 2018, la NASA puso final a su hasta la fecha más importante misión de búsqueda de exoplanetas. Después de descubrir más de 2600 planetas externos a nuestro sistema, el telescopio Kepler se quedó sin combustible para proseguir con sus operaciones científicas. Se ponía fin a nueve años de una productiva observación de otros sistemas vecinos en la búsqueda de exoplanetas, que ya comenzaría en los 90 del siglo pasado.

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Fig. 7. Cronología de las misiones de exploración espacial y búsqueda de exoplanetas desde 1990 y proyectos futuros

El telescopio Kepler combinaba técnicas de medición de brillo estelar junto con la cámara digital más grande equipada hasta el momento para observaciones del espacio más allá de la nube de Oort. Un análisis posterior de los datos proporcionados por esta misión indica que cerca de la mitad de las estrellas que observamos en el firmamento pueden albergar planetas dentro de su zona habitable y con algunas de las características descritas en el apartado anterior.

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Fig. 8. Detalle del telescopio Kepler

Uno de los ejemplos más prometedores descubierto gracias a los datos proporcionados por Kepler es el caso de Kepler-69c. Se trataría de un planeta con un tamaño cercano al doble que el de la Tierra. Se ubica en el margen interior de su ZH, lo que análogamente le acercaría más a un Venus del Sistema Solar. Por el contrario, el caso de Kepler-62f es más interesante, ya que se ubica en el centro de su ZH y posee un periodo de traslación de 267 días.

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Fig. 9. Comparativa de tamaño de algunos de los exoplanetas descubiertos por Kepler

El heredero de la misión Kepler será Cheops (CHaracterizing ExOplanet Satellite). Perteneciente al Programa de Ciencia de la Agencia Espacial Europea (ESA), la satélite Cheops será el primero de una serie de satélites especializados en la búsqueda y observación de exoplanetas. Cheops será capaz de observar planetas de tamaños que oscilan entre la Tierra y Neptuno. Su principal virtud es la capacidad de volver a observar repetidamente los mismos objetivos permitiendo un análisis más profundo de estos. Así mismo, contará con la capacidad de estimar la densidad de los planetas observados. Su principal función será la de identificar candidatos a estudiar más profundamente en futuras misiones.

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Fig. 10. Representación de Cheops
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Fig. 11. Progresión de exoplanetas descubiertos desde 1990 por masas relativas a Júpiter

Por último, cabe destacar el proyecto de la misión ARIEL (Atmospheric Remote-Sensing Infrared Exoplanet Large-survey), que permitirá determinar la composición química de la atmosfera de un gran número de exoplanetas mediante el empleo de técnicas radiométricas que ya se utilizan en la actualidad. Gracias a la firma espectral proporcionada por su óptica, será posible estimar no solo la presencia de determinados elementos químicos, sino la proporción de los mismos en la composición atmosférica.

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Fig. 12. Estudio del espectro atmosférico

¿Vecinos galácticos?

No me gustaría terminar el artículo sin hacer referencia a la clásica pregunta: ¿Estamos solos en el universo?

Sin caer en las típicas disertaciones neofilosóficas acerca de nuestra excepcionalidad, quizás la pregunta correcta sería: ¿por qué no hemos encontrado vida aún, y en particular, vida inteligente? En este sentido es interesante acercarse al trabajo del astrónomo Frank Drake, un primer intento de responder a esta pregunta.

Fran Drake es profesor emérito de astronomía y astrofísica en la Universidad de California Santa Cruz, así como miembro de la Academia Estadounidense de las Artes y las Ciencias. Así mismo, fue director del Centro Carl Sagan para el Estudio de la Vida en el Universo, así como presidente del SETI (Search for Extraterrestrial Intelligence).

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Fig. 13. Frank Drake en 2015

En 1961, propuso la ecuación de Drake en respuesta a la pregunta anteriormente formulada. Esta ecuación determina los factores de importancia en el desarrollo de una civilización. A pesar de no poder ser resuelta actualmente, es la primera aproximación teórica al problema y numerosos trabajos científicos parten de ella.

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Donde:

  • N es el número de civilizaciones con posibilidad de contacto
  • es el ritmo anual de formación de estrellas
  • es la fracción de estrellas con planetas en su órbita
  • es el numero de planetas en la ZH
  • fracción de los planetas en la ZH en los que se ha desarrollado vida
  • fracción de planetas con vida inteligente
  • fracción de planetas con vida inteligente capaces de comunicarse
  • lapso de tiempo en el que una civilización comunicativa puede existir

Pese a la claridad de la formula, existe un desacuerdo profundo en la comunidad científica especialmente en lo referente al valor de los factores que forman parte de ella. Los resultados dados a N han ido desde 10 originalmente aproximado por Drake hasta ordenes de magnitud de 10-10 por la teoría de Olduvai. Así mismo se han presentado diferentes variantes de la ecuación dependiendo de las consideraciones hechas por el correspondiente autor.

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Fig. 14. Histórico Radiotelescopio ATA del SETI

Nos encontramos en la antesala de un futuro que se presenta emocionante. Desde nuestro recóndito punto en el espacio, sólo atisbamos a ver una infinitésima parte de la inmensidad que nos rodea. Estas nuevas misiones abren un abanico de posibilidades que van a facilitar sin ninguna duda nuestra entrada en una nueva era de exploración y conocimiento espacial.

Para finalizar, me gustaría recomendar la web exoplanets.org. Se trata de una completa base de datos donde se compila la información referente a todos los exoplanetas descubiertos y estudiados hasta la fecha. Un interesante recurso para todos aquellos interesados en profundizar en este tema.

Federico Federico Piñuela

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