Un sistema de tres exoplanetas para estudiar cómo pueden verse diferentes atmósferas dependiendo de la composición química actual y la corriente entrante. Crédito: Jack H. Madden
No es exagerado decir que los estudios de planetas extrasolares se han disparado en las últimas décadas. Reunirse con alguien 4.375 exoplanetas se han confirmado en 3.247 sistemas y otros 5.856 candidatos están a la espera de confirmación. En los últimos años, el estudio de los exoplanetas ha pasado del descubrimiento a la caracterización. Se espera que este proceso se acelere a medida que los telescopios de próxima generación entren en funcionamiento.
Como resultado, los astrobiólogos están trabajando para producir listas completas de posibles “biofirmas” que se relacionan con las sustancias químicas y los procesos involucrados en la vida (oxígeno, dióxido de carbono, agua, etc.). Massachusetts Institute of Technology (MIT), otra posible firma biológica que deberíamos buscar es un hidrocarburo llamado isopreno (C5H8).
Un estudio que describe sus hallazgos, “Evaluación del isopreno como posible gas biofirma en exoplanetas en una atmósfera anóxica”, apareció recientemente en Internet y fue aceptado para su publicación en la revista. Astrobiología. Para su investigación, el equipo del MIT analizó la creciente lista de posibles firmas biológicas que los astrónomos buscarán en los próximos años.
Hasta ahora, la gran mayoría de exoplanetas han sido detectados y confirmados por métodos indirectos. La mayoría de los astrónomos se han basado en el método de transición (fotometría de tránsito) y el método de velocidad radial (espectroscopia Doppler), ya sea solos o combinados. Solo se han detectado unos pocos mediante imágenes directas, lo que dificulta la caracterización de las atmósferas y las superficies de los exoplanetas.
Solo en casos raros los astrónomos pudieron obtener los espectros que les permitieron determinar la composición química de la atmósfera del planeta. Este fue el resultado de la luz que atravesó la atmósfera del exoplaneta al pasar frente a su estrella, o en los pocos casos en los que se tomaron imágenes directas y fue posible estudiar la luz reflejada en la atmósfera del exoplaneta.
La impresión del artista muestra al planeta Proxima b orbitando a la enana roja Proxima Centauri, la estrella más cercana al Sistema Solar. Crédito: ESO / M. Kornmesser
Mucho de esto tiene que ver con las limitaciones de nuestros telescopios actuales, que no tienen la resolución necesaria para observar planetas rocosos más pequeños que orbitan más cerca de su estrella. Los astrónomos y astrobiólogos creen que es más probable que estos planetas estén habitados, pero cualquier luz reflejada en sus superficies y atmósferas se ve abrumada por la luz de sus estrellas.
Sin embargo, esto cambiará pronto cuando los instrumentos de próxima generación como el Telescopio Espacial James Webb (JWST) despeguen al espacio. Sara Seager, profesora de física y ciencias planetarias en 1941 en el MIT, dirige un grupo de investigación responsable (también conocido como Seager Group) y coescribió el artículo. Como dijo Universe Today en un correo electrónico:
“Con el inminente lanzamiento del telescopio espacial James Webb en octubre de 2021, tendremos nuestra primera oportunidad de buscar gases de firma biológica, pero será difícil porque las señales atmosféricas del pequeño planeta rocoso son muy débiles al principio. horizonte el número de personas que trabajan en este campo ha crecido enormemente. Estudios como este, que han desarrollado nuevos gases potenciales de firma biológica, y otros trabajos que muestran posibles falsos positivos incluso con gases como el oxígeno ”.
Después de la implementación y puesta en servicio, JWST podrá observar nuestro universo en longitudes de onda más largas (en el rango del infrarrojo cercano y medio) y con una sensibilidad significativamente mejorada. El telescopio también utilizará una serie de espectrógrafos para obtener datos de composición, así como coronografías para bloquear la luz oscura de las estrellas anfitrionas. Esta tecnología permitirá a los astrónomos caracterizar las atmósferas de planetas rocosos más pequeños.
A su vez, estos datos permitirán a los científicos restringir significativamente la habitabilidad de un exoplaneta e incluso podrían conducir al descubrimiento de firmas biológicas conocidas (y / o potenciales). Como se mencionó, estas “biofirmas” abarcan indicaciones químicas relacionadas con la vida y el proceso biológico, sin mencionar los tipos de condiciones que les son favorables.
Foto tomada por un miembro de la tripulación de la Expedición 13 de la EEI que muestra la erupción del volcán Cleveland, Islas Aleutianas, Alaska. Crédito: NASA
Estos incluyen oxígeno (O2), que es esencial para la mayoría de las formas de vida en la Tierra y es producido por organismos fotosintéticos (plantas, árboles, cianobacterias, etc.). Estos mismos organismos metabolizan el dióxido de carbono (CO2) que emite la vida que metaboliza el oxígeno como producto de desecho. También hay agua (H2O), que es esencial para toda la vida tal como la conocemos, y metano (CH4) que se libera por la materia orgánica en descomposición.
Dado que se cree que la actividad volcánica juega un papel importante en la habitabilidad del planeta, los subproductos químicos asociados con el vulcanismo: sulfuro de hidrógeno (H2S), dióxido de azufre (SO2), monóxido de carbono (CO), hidrógeno (H2), etc. . – también se consideran biofirmas. A esta lista, Zhan, Seager y sus colegas querían agregar otro posible biosignificado: el isopreno. Como explicó Zhan Universe Today en un correo electrónico:
“Nuestro grupo de investigación en el MIT se centra en aplicar un enfoque holístico para estudiar todos los gases posibles como posibles gases de firma biológica. Nuestro trabajo anterior condujo a la creación de una base de datos de todas las moléculas pequeñas. Estamos filtrando la base de datos de ASM para identificar los candidatos de gas de firma biológica más probables, uno de los cuales es el isopreno, mediante el aprendizaje automático y un enfoque basado en datos “.
Al igual que su primo metano, el isopreno es una molécula de hidrocarburo orgánico producida como metabolito secundario por varias especies de la Tierra. Además de los árboles de hoja caduca, el isopreno también es producido por una variedad de organismos evolutivamente distantes, como bacterias, plantas y animales. Como explicó Seager, esto es prometedor como posible firma biológica:
“El isopreno es prometedor porque la vida en la Tierra lo produce en grandes cantidades, ¡y también lo es la producción de metano! Además, la gran variedad de formas de vida (desde bacterias hasta plantas y animales) que son evolutivamente diferentes entre sí produce isopreno, lo que sugiere que podría ser un componente clave que también podría ser vida en otros lugares ”.
Aunque el isopreno está presente en la Tierra en aproximadamente la misma cantidad que el metano, se destruye al interactuar con oxígeno y radicales que contienen oxígeno. Por esta razón, Zhang, Seager y su equipo decidieron centrarse en atmósferas anaeróbicas. Se trata de ambientes compuestos principalmente por H2, CO2 y nitrógeno (N2), que es similar a lo que consistía en la atmósfera original de la Tierra.
Según sus descubrimientos, el planeta original (donde comienza a surgir la vida) tendría una gran cantidad de isopreno en su atmósfera. Esto habría sucedido en la Tierra desde hace 4 a 2500 millones de años, cuando los organismos unicelulares eran la única vida y las cianobacterias fotosintéticas estaban convirtiendo lentamente la atmósfera de la Tierra en una rica en oxígeno.
Hace 2.500 millones de años, esto culminó con el “Gran Evento de Oxigenación” (GOE) que resultó tóxico para muchos organismos (y metabolitos como el isopreno). Fue en esta época cuando comenzaron a aparecer formas de vida complejas (eucariotas y organismos multicelulares). En este sentido, el isopreno podría usarse para caracterizar planetas en medio de un cambio evolutivo importante y sentar las bases para futuros tipos de animales.
Pero como señaló Zhang, extraer esta posible firma biológica será un desafío, incluso para JWST:
“Las afirmaciones de isopreno como biomarcador son las siguientes: (1) 10x-100x la tasa de producción de isopreno en la Tierra es necesaria para la detección; (2) La detección de las propiedades espectrales del infrarrojo cercano del isopreno puede verse obstaculizada por la presencia de metano u otros hidrocarburos. En el caso de JWST, la detección de isopreno será difícil porque muchas moléculas de hidrocarburos tienen características espectrales similares en el rango del infrarrojo cercano. Sin embargo, los futuros telescopios de infrarrojo medio podrán detectar características espectrales de isopreno de una manera única. “
Tamaños relativos de los planetas habitados por Kepler descubiertos el 18 de abril de 2013. De izquierda a derecha: Kepler-22b, Kepler-69c, Kepler-62e, Kepler-62f y la Tierra (excepto en la Tierra, son actuaciones de artistas). Fuente: NASA / Ames / JPL-Caltech
Además de JWST, el telescopio espacial romano Nancy Grace (el sucesor de la misión Hubble) también se lanzará al espacio en 2025. El observatorio tendrá la potencia de 100 Hubbles, y sus filtros infrarrojos recientemente mejorados le permitirán caracterizar exoplanetas. por sí mismo. y gracias a la cooperación con JWST y otros “grandes observatorios”.
Actualmente, también se están construyendo en la Tierra varios telescopios terrestres, que se basarán en espectrómetros avanzados, coronógrafos y óptica adaptativa (AO). Estos incluyen el Telescopio Extremadamente Grande (ELT), el Telescopio Gigante de Magallanes (GMT) y el Telescopio de Treinta Metros (TMT). Estos telescopios también podrán realizar imágenes directas de exoplanetas, y se espera que los resultados sean revolucionarios.
Entre instrumentos mejorados, técnicas y análisis de datos que mejoran rápidamente y mejoras en nuestra metodología, se espera que la investigación de exoplanetas se acelere aún más. Además de tener decenas de miles de otros disponibles para explorar (muchos de los cuales serán rocosos y “similares a la Tierra”), las vistas sin precedentes que tendremos sobre ellos nos permitirán ver cuántos mundos habitables hay.
El tiempo dirá si esto conducirá al descubrimiento de vida extraterrestre en nuestras vidas. Pero una cosa está clara. En los próximos años, a medida que los astrónomos comiencen a observar todos los datos nuevos que tienen sobre las atmósferas de exoplanetas, tendrán una lista completa de firmas biológicas para guiarlos.
Proporcionado por Universe Today