Modelos climáticos para atmósfera de exoplanetas.

Cómo los modelos climáticos de la Tierra ayudan a los científicos a imaginar la vida en mundos inimaginables.

Ilustración de un exoplaneta. Créditos: Centro de vuelo espacial Goddard de la NASA / Chris Smith.

En un edificio de ladrillos genérico en el extremo noroeste del campus del Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland, miles de computadoras empacadas en bastidores del tamaño de máquinas expendedoras zumban en un coro ensordecedor de procesamiento de datos. Día y noche, escupen 7 billones de cálculos por segundo. Estas máquinas se conocen colectivamente como la supercomputadora Discover de la NASA y tienen la tarea de ejecutar modelos climáticos sofisticados para predecir el clima futuro de la Tierra.

Pero ahora, también están descubriendo algo mucho más lejos: si alguno de los más de 4.000 planetas curiosamente extraños más allá de nuestro sistema solar descubiertos en las últimas dos décadas podría soportar la vida.

Los científicos están descubriendo que la respuesta no solo es sí, sino que es sí en un rango de condiciones sorprendentes en comparación con la Tierra. Esta revelación ha llevado a muchos de ellos a lidiar con una pregunta vital para la búsqueda de la NASA de la vida más allá de la Tierra. ¿Es posible que nuestras nociones de lo que hace que un planeta sea adecuado para la vida son demasiado limitadas?

La próxima generación de poderosos telescopios y observatorios espaciales seguramente nos dará más pistas. Estos instrumentos permitirán a los científicos por primera vez analizar las atmósferas de los planetas más tentadores: los rocosos, como la Tierra, que podrían tener un ingrediente esencial para la vida, el agua líquida, que fluye en sus superficies.

Por el momento, es difícil explorar atmósferas lejanas. Enviar una nave espacial al planeta más cercano fuera de nuestro sistema solar, o exoplaneta, llevaría 75 000 años con la tecnología actual. Incluso con telescopios potentes, los exoplanetas cercanos son prácticamente imposibles de estudiar en detalle. El problema es que son demasiado pequeños y demasiado ahogados por la luz de sus estrellas para que los científicos puedan distinguir las débiles firmas de luz que reflejan, firmas que podrían revelar la química de la vida en la superficie.

En otras palabras, detectar los ingredientes de las atmósferas alrededor de estos planetas fantasmas, como a muchos científicos les gusta señalar, es como estar parado en Washington, D.C., y tratar de vislumbrar una luciérnaga junto a un reflector en Los Ángeles. Esta realidad hace que los modelos climáticos sean críticos para la exploración, dijo el científico exoplanetario jefe Karl Stapelfeldt, que trabaja en el Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA en Pasadena, California.

"Los modelos hacen predicciones específicas y comprobables de lo que deberíamos ver", dijo. "Estos son muy importantes para diseñar nuestros futuros telescopios y estrategias de observación".

¿Es el sistema solar un buen modelo a seguir?

Al escanear el cosmos con grandes telescopios terrestres y espaciales, los astrónomos han descubierto una variedad ecléctica de mundos que parecen extraídos de la imaginación.

“Durante mucho tiempo, los científicos se centraron realmente en encontrar sistemas similares al Sol y la Tierra. Eso es todo lo que sabíamos ", dijo Elisa Quintana, una astrofísica Goddard de la NASA que dirigió el descubrimiento en 2014 del planeta Kepler-186f del tamaño de la Tierra. "Pero descubrimos que existe toda esta diversidad loca en los planetas. Encontramos planetas tan pequeños como la Luna. Encontramos planetas gigantes. Y encontramos algunos que orbitan estrellas diminutas, estrellas gigantes y estrellas múltiples ".

De hecho, la mayoría de los planetas detectados por el telescopio espacial Kepler de la NASA y el nuevo satélite de prospección de exoplanetas en tránsito (TESS), así como las observaciones terrestres, no existen en nuestro sistema solar. Caen entre el tamaño de una Tierra terrestre y un Urano gaseoso, que es cuatro veces más grande que este planeta.

Animación de exoplanetas: curva de luz de tránsito.

Cuando un planeta cruza directamente entre nosotros y su estrella, vemos que la estrella se atenúa ligeramente porque el planeta está bloqueando una porción de la luz. La medición de estas inmersiones a la luz de las estrellas es una técnica, conocida como el "método de tránsito", que los científicos usan para identificar exoplanetas. Los científicos hacen una trama llamada "curva de luz" que muestra el brillo de la estrella a lo largo del tiempo. Usando este diagrama, los científicos pueden ver qué porcentaje de la luz de la estrella bloquea el planeta y cuánto tiempo le lleva al planeta cruzar el disco de la estrella, información que les ayuda a estimar la distancia del planeta a la estrella y su masa. Créditos: Centro de vuelo espacial Goddard de la NASA

Los planetas más cercanos en tamaño a la Tierra, y probablemente en teoría tengan condiciones habitables, hasta ahora solo se han encontrado alrededor de estrellas "enanas rojas", que constituyen una gran mayoría de estrellas en la galaxia. Pero eso es probable porque las enanas rojas son más pequeñas y más tenues que el Sol, por lo que la señal de los planetas que las orbitan es más fácil de detectar para los telescopios.

Debido a que las enanas rojas son pequeñas, los planetas tienen que girar incómodamente cerca, más cerca que Mercurio del Sol, para permanecer unidos gravitacionalmente a ellos. Y debido a que las enanas rojas son frías, en comparación con todas las otras estrellas, los planetas tienen que estar más cerca de ellas para atraer suficiente calor y permitir que el agua líquida se acumule en sus superficies.

Entre los descubrimientos recientes más atractivos en los sistemas de enanas rojas se encuentran planetas como Proxima Centauri b, o simplemente Proxima b. Es el exoplaneta más cercano. También hay siete planetas rocosos en el sistema cercano TRAPPIST-1. Si estos planetas podrían o no sostener la vida es aún un tema de debate. Los científicos señalan que las enanas rojas pueden arrojar hasta 500 veces más radiación ultravioleta y de rayos X dañina en sus planetas que el Sol expulsa al sistema solar. A primera vista, este entorno eliminaría atmósferas, evaporaría los océanos y freiría ADN en cualquier planeta cercano a una enana roja.

Sin embargo, tal vez no. Los modelos del clima terrestre muestran que los exoplanetas rocosos alrededor de las enanas rojas podrían ser habitables a pesar de la radiación.

En 2014, la misión Swift de la NASA detectó una serie récord de destellos de rayos X desatados por DG CVn, un binario cercano que consta de dos estrellas enanas rojas, ilustrado aquí. En su apogeo, el destello inicial fue más brillante en rayos X que la luz combinada de ambas estrellas en todas las longitudes de onda en condiciones normales. Créditos: Centro de vuelo espacial Goddard de la NASA.

La magia está en las nubes.

Anthony Del Genio es un científico climático planetario recientemente retirado del Instituto Goddard de Estudios Espaciales de la NASA en la ciudad de Nueva York. Durante su carrera simuló los climas de la Tierra y de otros planetas, incluido Proxima b.

El equipo de Del Genio recientemente simuló posibles climas en Proxima b para probar cuántos lo dejarían lo suficientemente cálido y húmedo como para albergar la vida. Este tipo de trabajo de modelado ayuda a los científicos de la NASA a identificar un puñado de planetas prometedores dignos de un estudio más riguroso con el próximo telescopio espacial James Webb de la NASA.

"Si bien nuestro trabajo no puede decirle a los observadores si algún planeta es habitable o no, podemos decirles si un planeta está en el rango medio de buenos candidatos para buscar más", dijo Del Genio.

Proxima b orbita Proxima Centauri en un sistema de tres estrellas ubicado a solo 4,2 años luz del Sol. Además de eso, los científicos no saben mucho al respecto. Creen que es rocoso, según su masa estimada, que es un poco más grande que la de la Tierra. Los científicos pueden inferir la masa observando cuánto Proxima b tira de su estrella mientras orbita.

Los modelos climáticos terrestres dan vida al exoplaneta.

En un edificio de ladrillos genérico en el extremo noroeste del campus del Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland, miles de computadoras empacadas en bastidores del tamaño de máquinas expendedoras zumban en un coro ensordecedor de procesamiento de datos. Día y noche, escupen cinco billones de cálculos por segundo. Conocidas colectivamente como la supercomputadora Discover, estas máquinas tienen la tarea de ejecutar modelos climáticos sofisticados para predecir el clima futuro de la Tierra. Pero ahora, también están descubriendo algo mucho más lejos: si alguno de los más de 4.000 planetas curiosamente extraños más allá de nuestro sistema solar, o exoplanetas, descubiertos en las últimas dos décadas podría tener los ingredientes necesarios para mantener la vida. Créditos: NASA's Goddard Space Flight Center

El problema con Proxima b es que está 20 veces más cerca de su estrella que la Tierra del Sol. Por lo tanto, al planeta le toma solo 11,2 días hacer una órbita (la Tierra tarda 365 días en orbitar una vez al Sol). La física le dice a los científicos que este acogedor arreglo podría dejar a Proxima b bloqueado gravitacionalmente a su estrella, como la Luna está gravitacionalmente bloqueada a la Tierra. Si es cierto, un lado de Proxima b enfrenta la intensa radiación de la estrella mientras que el otro se congela en la oscuridad del espacio en una receta planetaria que no augura nada bueno para la vida en ninguno de los lados.

Pero las simulaciones de Del Genio muestran que Proxima b, o cualquier planeta con características similares, podría ser habitable a pesar de las fuerzas que conspiran contra él. "Y las nubes y los océanos juegan un papel fundamental en eso", dijo Del Genio.

El equipo de Del Genio actualizó un modelo de clima terrestre desarrollado por primera vez en la década de 1970 para crear un simulador planetario llamado ROCKE-3D. Si Proxima b tiene una atmósfera es una pregunta abierta y crítica que esperamos sea resuelta por futuros telescopios. Pero el equipo de Del Genio asumió que sí.

Con cada simulación, el equipo de Del Genio varió los tipos y cantidades de gases de efecto invernadero en el aire de Proxima b. También cambiaron la profundidad, el tamaño y la salinidad de sus océanos y ajustaron la proporción de tierra a agua para ver cómo estos ajustes influirían en el clima del planeta.

Los modelos como ROCKE-3D comienzan solo con información básica sobre un exoplaneta: su tamaño, masa y distancia de su estrella. Los científicos pueden inferir estas cosas observando la luz de una estrella sumergirse cuando un planeta cruza frente a ella, o midiendo el tirón gravitacional de una estrella a medida que un planeta la rodea.

Estos escasos detalles físicos informan ecuaciones que comprenden hasta un millón de líneas de código informático necesarias para construir los modelos climáticos más sofisticados. El código instruye a una computadora como la supercomputadora Discover de la NASA a usar reglas establecidas de la naturaleza para simular sistemas climáticos globales. Entre muchos otros factores, los modelos climáticos consideran cómo circulan e interactúan las nubes y los océanos y cómo interactúa la radiación de un sol con la atmósfera y la superficie de un planeta.

Cuando el equipo de Del Genio ejecutó ROCKE-3D en Discover, vieron que las hipotéticas nubes de Proxima b actuaban como una sombrilla masiva al desviar la radiación. Esto podría reducir la temperatura en el lado orientado al sol de Proxima b de demasiado caliente a tibio.

Este es un extracto del código Fortran del modelo ROCKE-3D que calcula los detalles de la órbita de cualquier planeta alrededor de su estrella. Esto ha sido modificado del modelo original de la Tierra para que pueda manejar cualquier tipo de planeta en cualquier tipo de órbita, incluidos los planetas que están "bloqueados por la marea", con un lado siempre mirando hacia la estrella. Este código es necesario para predecir qué tan alto en el cielo de un planeta está la estrella en cualquier momento y, por lo tanto, cuán fuertemente calentado está el planeta, cuánto dura el día y la noche, si hay estaciones y, de ser así, cuánto duran . Créditos: Instituto Goddard de Estudios Espaciales de la NASA / Anthony Del Genio.

Otros científicos han descubierto que Proxima b podría formar nubes tan masivas que borrarían todo el cielo si se mirara desde la superficie.

“Si un planeta está bloqueado gravitacionalmente y gira lentamente sobre su eje, se forma un círculo de nubes frente a la estrella, siempre apuntando hacia él. Esto se debe a una fuerza conocida como el efecto Coriolis, que causa convección en el lugar donde la estrella está calentando la atmósfera ", dijo Ravi Kopparapu, un científico planetario de Goddard de la NASA que también modela los climas potenciales de los exoplanetas. "Nuestro modelo muestra que Proxima b podría verse así".

Además de hacer que el lado del día de Proxima b sea más templado de lo esperado, una combinación de atmósfera y circulación oceánica movería el aire cálido y el agua alrededor del planeta, transportando así el calor al lado frío. "Por lo tanto, no solo evita que la atmósfera del lado nocturno se congele, sino que crea partes en el lado nocturno que realmente mantienen el agua líquida en la superficie, a pesar de que esas partes no ven luz", dijo Del Genio.

Dando una nueva mirada a un viejo modelo a seguir.

Las atmósferas son envolturas de moléculas alrededor de los planetas. Además de ayudar a mantener y hacer circular el calor, las atmósferas distribuyen gases que nutren la vida o son producidos por ella.

Estos gases son las llamadas "biofirmas" que los científicos buscarán en las atmósferas de los exoplanetas. Pero lo que exactamente deberían estar buscando aún no está decidido.

La Tierra es la única evidencia que los científicos tienen de la química de una atmósfera que sustenta la vida. Sin embargo, tienen que ser cautelosos al usar la química de la Tierra como modelo para el resto de la galaxia. Las simulaciones del científico planetario Goddard Giada Arney, por ejemplo, muestran que incluso algo tan simple como el oxígeno, el signo por excelencia de la vida vegetal y la fotosíntesis en la Tierra moderna, podría presentar una trampa.

El trabajo de Arney destaca algo interesante. Si las civilizaciones alienígenas hubieran apuntado sus telescopios hacia la Tierra hace miles de millones de años con la esperanza de encontrar un planeta azul nadando en oxígeno, se habrían decepcionado; tal vez habrían girado sus telescopios hacia otro mundo. Pero en lugar de oxígeno, el metano podría haber sido la mejor firma biológica para buscar hace 3.800 a 2.500 millones de años. Esta molécula se produjo en abundancia en ese entonces, probablemente por los microorganismos que florecían silenciosamente en los océanos.

"Lo interesante de esta fase de la historia de la Tierra es que era tan extraña en comparación con la Tierra moderna", dijo Arney. "Todavía no había oxígeno, por lo que ni siquiera era un punto azul pálido. Era un punto naranja pálido ”, dijo, haciendo referencia a la neblina naranja producida por el smog de metano que pudo haber envuelto la Tierra primitiva.

Los hallazgos como este, dijo Arney, "han ampliado nuestro pensamiento acerca de lo que es posible entre los exoplanetas", ayudando a expandir la lista de biofirmas que los científicos planetarios buscarán en atmósferas distantes.

Los científicos de la NASA ahora tienen la imagen global más completa de la vida en la Tierra hasta la fecha. Desde el punto de vista único del espacio, la NASA observa no solo las masas de tierra y los océanos de la Tierra, sino también los organismos que viven entre ellos. Créditos: Centro de vuelo espacial Goddard de la NASA.

Construyendo un Plan para los Cazadores de Atmósfera.

Si bien las lecciones de los modelos climáticos planetarios son teóricas, lo que significa que los científicos no han tenido la oportunidad de probarlas en el mundo real, ofrecen un plan para futuras observaciones.

Un objetivo principal de simular climas es identificar los planetas más prometedores a los que recurrir con el telescopio Webb y otras misiones para que los científicos puedan usar el tiempo limitado y costoso del telescopio de la manera más eficiente. Además, estas simulaciones están ayudando a los científicos a crear un catálogo de posibles firmas químicas que algún día detectarán. Tener una base de datos de esta manera les ayudará a determinar rápidamente el tipo de planeta que están viendo y decidir si seguir sondeando o girar sus telescopios en otro lugar.

Descubrir la vida en planetas distantes es una apuesta, señaló Del Genio: "Entonces, si queremos observar con mayor prudencia, tenemos que tomar recomendaciones de los modelos climáticos, porque eso solo aumenta las probabilidades".

Los investigadores y la ciencia descritos en esta historia son parte de la Colaboración de Sellers Exoplanet Environments Collaboration, o SEEC, en el Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA. La colaboración multidisciplinaria reúne a expertos de las ciencias planetarias y de la Tierra, con los de astrofísica y heliofísica, para construir los modelos informáticos más completos y sofisticados de exoplanetas con el fin de prepararse mejor para las observaciones actuales y futuras de exoplanetas. Para obtener más información, visite: https://seec.gsfc.nasa.gov/index.html.

Por Lonnie Shekhtman

Centro de vuelo espacial Goddard de la NASA, Greenbelt, Maryland.

Última actualización: 24 de enero de 2020, enlace publicación.

Editor: Svetlana Shekhtman