Este diagrama del ciclo rápido del carbono muestra el movimiento del carbono entre la tierra, atmósfera, y océanos. Crédito:DOE / BERIS de EE. UU.
Los planetas extrasolares se están descubriendo a un ritmo rápido:4, 531 planetas en 3, 363 sistemas (con otros 7, 798 candidatos en espera de confirmación). De estos, 166 han sido identificados como planetas rocosos (también conocidos como "similares a la Tierra"), mientras que otro 1, 389 han sido categorizados como planetas rocosos que son varias veces el tamaño de la Tierra ("Super-Tierras"). A medida que se hacen más y más descubrimientos, el enfoque de los astrónomos está cambiando del proceso de descubrimiento hacia la caracterización.
Para cuantificar si alguno de estos exoplanetas es habitable, Los astrónomos y astrobiólogos están buscando formas de detectar biomarcadores y otros signos de procesos biológicos. Según un nuevo estudio, las indicaciones de un ciclo de silicato de carbono podrían ser la clave. En la tierra, este ciclo asegura que nuestro clima permanezca estable durante eones, y podría ser la clave para encontrar vida en otros planetas.
El estudio, titulado "El ciclo del carbono y la habitabilidad de exoplanetas masivos similares a la Tierra, "fue dirigido por Amanda Kruijver, Dennis Höning, y Wim van Westrenen, tres científicos de la Tierra de la Vrije Universiteit Amsterdam. Höning también es miembro del Origins Center, un instituto nacional de ciencia con sede en los Países Bajos comprometido con la investigación de los orígenes y la evolución de la vida en nuestro Universo. Su estudio fue publicado recientemente en La Revista de Ciencias Planetarias .
En la tierra, Este ciclo de dos pasos asegura que el dióxido de carbono (CO 2 ) los niveles en nuestra atmósfera se mantienen relativamente constantes a lo largo del tiempo. En el primer paso El dióxido de carbono se elimina de nuestra atmósfera al reaccionar con el vapor de agua para formar ácido carbónico. que erosiona y disuelve la roca de silicato. Los productos de esta meteorización se lavan en los océanos, creando una roca carbonatada que se hunde en el lecho marino y se convierte en parte del manto de la Tierra.
Aquí es donde entra en juego el segundo paso. Una vez en el manto, Las rocas carbonatadas se funden para crear silicato de magma y CO. 2 gas, el último de los cuales se libera a la atmósfera a través de erupciones volcánicas. Como explicó el Dr. Höning a Universe Today por correo electrónico, el proceso también se ve afectado por cambios en las condiciones de la superficie:
"En tono rimbombante, la velocidad de este proceso depende de la temperatura de la superficie:si la superficie se calienta, las reacciones a la intemperie se aceleran, y más CO 2 se puede eliminar de la atmósfera. Dado que CO 2 es un gas de efecto invernadero, este mecanismo enfría la superficie, por lo que tenemos una retroalimentación estabilizadora. Debemos señalar que esta retroalimentación estabilizadora necesita mucho tiempo para ser eficiente, en el orden de cientos de miles de años o incluso millones de años ".
Una consideración clave es cómo el Sol se ha estado calentando con el tiempo, Añadió el Dr. Höning. En comparación con la historia temprana de la Tierra, nuestro planeta ahora recibe aproximadamente un 30% más de energía del Sol, razón por la cual el CO atmosférico 2 los niveles eran más altos en el pasado distante. Por lo tanto, Es seguro decir que la meteorización se vuelve más pronunciada a medida que un planeta envejece y que el CO atmosférico 2 los niveles caerán a un ritmo creciente en este punto de su evolución.
Impresión artística de cómo podrían verse los exoplanetas similares a la Tierra. Crédito:NASA / JPL-Caltech
Dado que este es un proceso químico simple, No hay razón para pensar que un ciclo de silicato de carbono no pueda funcionar en otros planetas, siempre que tengan agua líquida en sus superficies. Para los investigadores de exoplanetas y astrobiólogos, la presencia de agua líquida ha sido fundamental para la búsqueda continua de vida extraterrestre. También se ha planteado la cuestión de la tectónica de placas, ya que desempeña un papel importante en el mantenimiento de la habitabilidad de la Tierra a lo largo del tiempo. Dijo el Dr. Höning:
"En nuestro propio sistema solar, sólo el planeta Tierra tiene placas tectónicas y, por tanto, subducción. La razón de esto no está del todo clara y está sujeta a estudios modernos; probablemente tenga que ver con la composición de la roca, tamaño del planeta, temperatura de la superficie, o con la existencia de agua líquida en la propia superficie.
"Si tuviéramos meteorización en un exoplaneta pero no subducción, los carbonatos producidos se acumularían en la superficie y podrían volverse inestables nuevamente después de millones de años. Exploramos este escenario en un trabajo anterior y descubrimos que el clima aún estaría regulado hasta cierto punto, aunque algo menos eficiente que con la tectónica de placas como se supone en el presente artículo ".
El Dr. Höning y sus colegas no están solos cuando se trata de investigar si la tectónica de placas y la actividad geológica son esenciales para la vida. En años recientes, Se ha realizado una investigación similar que ha considerado si los planetas con tapa estancada (donde la superficie y el manto consisten en una placa inactiva) cubiertos de océanos aún podrían tener un ciclo de carbono, con resultados alentadores.
Por el bien de su estudio, El Dr. Höning y sus colegas intentaron determinar si sería posible un ciclo de silicato de carbono en otros planetas rocosos que van desde ser "similares a la Tierra" hasta "Supertierras". Para tal fin, crearon un modelo que reproducía el ciclo de carbonato-silicato de la Tierra y tomaba en cuenta todos los procesos relevantes, incluida la evolución interior, desgasificación volcánica, meteorización, y subducción. Luego consideraron cómo el modelo podría ser sensible a los cambios de tamaño y masa.
"Por ejemplo, la presión dentro de los planetas masivos aumenta más fuertemente con la profundidad ya que la gravedad es mayor, ", dijo el Dr. Höning." La presión tiene un efecto en la profundidad de fusión y también en la fuerza de la convección del manto, que determina la tasa de enfriamiento interior. Así que actualizamos todas las partes del modelo que son sensibles al tamaño o la masa del planeta y, por lo tanto, pudimos explorar la influencia de estos parámetros en la habitabilidad de los exoplanetas ".
Lo que encontraron fue que un aumento en la masa (hasta cierto punto) daría como resultado temperaturas superficiales promedio más altas, alterando así lo que se consideraría la zona habitable circunsolar del planeta (también conocida como la "Zona Ricitos de Oro"). Dijo el Dr. Höning:
"Descubrimos que los exoplanetas de la edad de la Tierra pero ~ 3 veces más masivos deberían tener tasas de desgasificación volcánica más altas, ya que su interior es mucho más caliente y la convección del manto por lo tanto más vigorosa. El ciclo de carbonato-silicato todavía puede regular el clima en estos planetas, sin embargo, esperamos una superficie más caliente. Por lo tanto, la distancia óptima entre el planeta y la estrella para mantener agua líquida en la superficie del planeta está un poco más lejos que la distancia de la Tierra al Sol ".
Sin embargo, los resultados fueron opuestos cuando aumentaron la masa de un planeta rocoso hasta 10 veces la de la Tierra (que corresponde a ~ 2 radios terrestres). "Aquí, la presión dentro de estos planetas es tan grande que la actividad volcánica y la desgasificación de CO 2 se vuelve más pequeño, ", dijo." Sin embargo, dado que el calor de su interior no se pierde con tanta eficiencia, desgasificación de CO 2 se vuelve particularmente eficiente en la evolución posterior. Desafortunadamente, la luminosidad estelar también aumenta con el tiempo, por lo que el planeta podría calentarse demasiado para que exista agua líquida ".
Hay muchas conclusiones de estos resultados. Para uno, el estudio demuestra que el tamaño y la masa son parámetros importantes para la habitabilidad planetaria. Al mismo tiempo, el tamaño y la masa se encuentran entre los pocos parámetros a los que los científicos tienen acceso en este momento. Al igual que con los medios de detección disponibles, el método de tránsito, por ejemplo, Es muy bueno para restringir estas dos propiedades:los científicos están algo limitados por medios indirectos y deben confiar en extrapolaciones y modelos.
Sin embargo, Estos dos parámetros siguen siendo muy útiles para restringir qué tipos de planetas rocosos podrían ser habitables y cuáles no es probable que alberguen vida. Y lo que es más, muestran cómo la edad y la masa de un planeta desempeñan un papel importante en el mantenimiento del ciclo del carbono, y por tanto la habitabilidad del planeta. Al considerar estos factores juntos, los científicos podrán decir si un planeta es "potencialmente habitable con más confianza". Como resumió el Dr. Höning:
"Un hallazgo principal de nuestro artículo es que realmente deberíamos mirar la combinación del tamaño y la edad del planeta para tener una idea de la habitabilidad. Los planetas del tamaño de la Tierra deberían ser habitables durante un período de tiempo muy largo, pero sus atmósferas son, por supuesto, más difíciles de caracterizar que las de los planetas más grandes. Los planetas de 3 veces la masa de la Tierra (que reciben el mismo flujo estelar) deberían tener una superficie más caliente que la Tierra (diferencia ~ 10K). Incluso los planetas más masivos que reciben el mismo flujo estelar son un poco más fríos, pero se calentaría significativamente más adelante en su evolución ".
Y lo que es más, este estudio será beneficioso cuando los telescopios de próxima generación estén disponibles y puedan realizar observaciones directas de exoplanetas. Esto es algo que los astrónomos esperan del próximo telescopio espacial James Webb (JWST), el telescopio espacial romano Nancy Grace, y observatorios terrestres como el Extremely Large Telescope (ELT), el Telescopio Gigante de Magallanes (GMT), y el telescopio de treinta metros (TMT).
Al observar directamente la luz reflejada por la atmósfera de un exoplaneta, los astrónomos obtendrán espectros que revelen la composición química de la atmósfera. Esta investigación podría usarse para futuros estudios para ubicar la detección de CO atmosférico 2 en su contexto adecuado. En breve, Los astrobiólogos determinarán si es un indicio de actividad geológica y, por tanto, puede interpretarse como un posible indicio de habitabilidad.
Otro aspecto alentador del estudio es que incluso cuando se trata de planetas rocosos de masas y tamaños variables, el ciclo de carbonato-silicato sigue siendo un regulador eficaz del clima. Si los científicos detectan evidencia de este ciclo en exoplanetas, pueden estar seguros de que indica habitabilidad potencial, no importa cuán masivo sea el planeta. "Entonces, podemos seguir siendo optimistas acerca de encontrar vida extraterrestre en el futuro ", dijo el Dr. Höning.
