Los científicos han descubierto miles de exoplanetas, incluyendo docenas de mundos terrestres o rocosos en las zonas habitables alrededor de sus estrellas madres. Un enfoque prometedor para buscar signos de vida en estos mundos es sondear las atmósferas de exoplanetas en busca de "biofirmas", es decir, intromisiones en la composición química que son signos reveladores de vida. Por ejemplo, gracias a la fotosíntesis, nuestra atmósfera es casi un 21% de oxígeno, un nivel mucho más alto de lo esperado dada la composición de la Tierra, órbita y estrella madre.

Encontrar biofirmas no es una tarea sencilla. Los científicos utilizan datos sobre cómo las atmósferas de exoplanetas interactúan con la luz de su estrella madre para aprender sobre sus atmósferas. Pero la información o espectros, que pueden recopilar utilizando los telescopios terrestres y espaciales actuales es demasiado limitado para medir atmósferas directamente o detectar biofirmas.

Investigadores de exoplanetas como Victoria Meadows, profesor de astronomía en la Universidad de Washington, se centran en los próximos observatorios, como el telescopio espacial James Webb, o JWST, podría medir en atmósferas de exoplanetas. El 15 de febrero en la reunión anual de la Asociación Estadounidense para el Avance de la Ciencia en Seattle, Prados investigador principal del Laboratorio Planetario Virtual de la Universidad de Washington, dará una charla para resumir qué tipo de datos pueden recopilar estos nuevos observatorios y qué pueden revelar sobre las atmósferas terrestres, Exoplanetas similares a la Tierra. Meadows se sentó con UW News para discutir la promesa de estas nuevas misiones para ayudarnos a ver los exoplanetas desde una nueva perspectiva.

P:¿Qué cambios se están produciendo en el campo de la investigación de exoplanetas?

En los próximos cinco a 10 años, potencialmente tendremos nuestra primera oportunidad de observar las atmósferas de los exoplanetas terrestres. Esto se debe a que se establecerán nuevos observatorios en línea, incluido el telescopio espacial James Webb y observatorios terrestres como el telescopio extremadamente grande. Mucho de nuestro trabajo reciente en el Laboratorio Planetario Virtual, así como por colegas de otras instituciones, se ha centrado en simular cómo "se verán" los exoplanetas similares a la Tierra para el JWST y los telescopios terrestres. Eso nos permite comprender los espectros que captarán estos telescopios, y lo que esos datos nos dirán y no nos dirán sobre esas atmósferas de exoplanetas.

P:¿Qué tipos de atmósferas de exoplanetas podrán caracterizar el JWST y otras misiones?

Nuestros objetivos son en realidad un grupo selecto de exoplanetas que están cerca, dentro de los 40 años luz, y orbitan muy pequeños, estrellas frías. Para referencia, la misión Kepler identificó exoplanetas alrededor de estrellas que son más de 1, 000 años luz de distancia. Las estrellas anfitrionas más pequeñas también nos ayudan a obtener mejores señales sobre de qué están hechas las atmósferas planetarias porque la capa delgada de atmósfera planetaria puede bloquear más luz de una estrella más pequeña.

Entonces, hay un puñado de exoplanetas en los que nos estamos enfocando para buscar signos de habitabilidad y vida. Todos fueron identificados por estudios en tierra como TRAPPIST y su sucesor, SPECULOOS, ambos dirigidos por la Universidad de Lieja, así como el Proyecto MEarth dirigido por Harvard. Los exoplanetas más conocidos de este grupo son probablemente los siete planetas terrestres que orbitan TRAPPIST-1. TRAPPIST-1 es una estrella enana M, una de las más pequeñas que puedes tener y aún ser una estrella, y sus siete exoplanetas abarcan el interior hasta la zona habitable y más allá. con tres en la zona habitable.

Hemos identificado a TRAPPIST-1 como el mejor sistema para estudiar porque esta estrella es tan pequeña que podemos obtener señales bastante grandes e informativas de las atmósferas de estos mundos. Todos estos son primos de la Tierra pero con una estrella madre muy diferente, por lo que será muy interesante ver cómo son sus atmósferas.

P:¿Qué ha aprendido hasta ahora sobre las atmósferas de los exoplanetas TRAPPIST-1?

La comunidad astronómica ha realizado observaciones del sistema TRAPPIST-1, pero no hemos visto nada más que "no detecciones". Eso todavía puede decirnos mucho. Por ejemplo, Las observaciones y los modelos sugieren que es menos probable que estas atmósferas de exoplanetas estén dominadas por hidrógeno, el elemento más ligero. Eso significa que no tienen atmósferas en absoluto, o tienen atmósferas de densidad relativamente alta como la Tierra.

P:¿No hay atmósferas en absoluto? ¿Qué causaría eso?

Las estrellas enanas M tienen una historia muy diferente a la de nuestro propio sol. Después de su infancia, Las estrellas similares al sol se iluminan con el tiempo a medida que se fusionan.

Las enanas M comienzan grandes y brillantes, a medida que colapsan gravitacionalmente al tamaño que tendrán durante la mayor parte de sus vidas. Entonces, Los planetas enanos M podrían estar sujetos a largos períodos de tiempo, tal vez hasta mil millones de años, de luminosidad de alta intensidad. Que podría despojar a un planeta de su atmósfera, pero la actividad volcánica también puede reponer atmósferas. Según sus densidades, sabemos que es probable que muchos de los mundos de TRAPPIST-1 tengan depósitos de compuestos, a niveles mucho más altos que la Tierra, en realidad, eso podría reponer la atmósfera. Los primeros resultados significativos de JWST para TRAPPIST-1 serán:¿Qué mundos retuvieron las atmósferas? ¿Y qué tipo de atmósferas son?

Soy discretamente optimista de que tienen atmósferas debido a esos embalses, que todavía estamos detectando. Pero estoy dispuesto a sorprenderme con los datos.

¿Qué tipos de señales buscarán el JWST y otros observatorios en las atmósferas de los exoplanetas TRAPPIST-1? Probablemente, la señal más fácil de buscar será la presencia de dióxido de carbono.

P:¿El CO2 es una firma biológica?

No solo y no solo de una sola señal. Siempre les digo a mis alumnos:miren bien, mira a la izquierda. Tanto Venus como Marte tienen atmósferas con altos niveles de CO2, pero no vida. En la atmósfera de la Tierra, Los niveles de CO2 se ajustan a nuestras estaciones. En primavera, los niveles se reducen a medida que las plantas crecen y eliminan el CO2 de la atmósfera. En otoño, las plantas se descomponen y el CO2 aumenta. Entonces, si ves el ciclismo estacional, eso podría ser una firma biológica. Pero las observaciones estacionales son muy poco probables con JWST.

En lugar de, JWST puede buscar otra firma biológica potencial, gas metano en presencia de CO2. Normalmente, el metano debería tener una vida útil corta con CO2. Entonces, si detectamos ambos juntos, probablemente algo esté produciendo metano de forma activa. En la tierra, la mayor parte del metano de nuestra atmósfera es producido por la vida.

P:¿Qué pasa con la detección de oxígeno?

El oxígeno solo no es una firma biológica. Depende de sus niveles y de qué más hay en la atmósfera. Podría tener una atmósfera rica en oxígeno por la pérdida de un océano, por ejemplo:la luz divide las moléculas de agua en hidrógeno y oxígeno. El hidrógeno se escapa al espacio, y el oxígeno se acumula en la atmósfera.

Es probable que el JWST no capte oxígeno directamente de la fotosíntesis oxigenada, la biosfera a la que estamos acostumbrados ahora. El telescopio extremadamente grande y los observatorios relacionados podrían, porque mirarán una longitud de onda diferente a la del JWST, donde tendrán más posibilidades de ver oxígeno. El JWST será mejor para detectar biosferas similares a las que teníamos en la Tierra hace miles de millones de años. y para diferenciar entre diferentes tipos de atmósferas.

P:¿Cuáles son algunos de los diferentes tipos de atmósferas que pueden poseer los exoplanetas TRAPPIST-1?

La fase de alta luminosidad de la enana M podría conducir a un planeta hacia una atmósfera con un efecto invernadero desbocado, como Venus. Como dije anteriormente, podría perder un océano y tener una atmósfera rica en oxígeno. Una tercera posibilidad es tener algo más parecido a la Tierra.

P:Hablemos de esa segunda posibilidad. ¿Cómo podría JWST revelar una atmósfera rica en oxígeno si no puede detectar oxígeno directamente?

La belleza del JWST es que puede captar procesos que ocurren en la atmósfera de un exoplaneta. Recogerá las firmas de colisiones entre moléculas de oxígeno, lo que sucederá con más frecuencia en una atmósfera rica en oxígeno. Por lo tanto, es probable que no podamos ver las cantidades de oxígeno asociadas con una biosfera fotosintética. Pero si quedara una cantidad mucho mayor de oxígeno por la pérdida del océano, probablemente podamos ver las colisiones de oxígeno en el espectro, y probablemente sea una señal de que el exoplaneta ha perdido un océano.

Entonces, Es poco probable que JWST nos proporcione una prueba concluyente de las firmas biológicas, pero puede proporcionar algunas pistas tentadoras. que requieren un mayor seguimiento y, en el futuro, pensar en nuevas misiones más allá del JWST. La NASA ya está considerando nuevas misiones. ¿Cuáles nos gustaría que fueran sus capacidades?

Eso también me lleva a un punto muy importante:la ciencia de los exoplanetas es enormemente interdisciplinaria. Comprender el entorno de estos mundos requiere considerar la órbita, composición, historia y estrella anfitriona, y requiere la participación de astrónomos, geólogos, científicos atmosféricos, científicos estelares. Realmente se necesita una aldea para comprender un planeta.