Figura. 1:Impresión artística de la superficie fundida de un joven planeta rocoso que reacciona con su atmósfera primordial para formar vapor de agua. Crédito:Tadahiro Kimura
La exploración reciente de exoplanetas se ha centrado en el descubrimiento de planetas rocosos templados como la Tierra, que a menudo se denominan planetas habitables. La mayoría de las misiones recientes apuntan a estrellas más frías que el sol. Estas estrellas se conocen como enanas rojas o estrellas de tipo M, que son numerosas en la vecindad solar.
Una insolación moderada y una cantidad adecuada de agua de mar son necesarias para que un planeta mantenga un clima templado. Los modelos previos de formación de planetas, sin embargo, predicen que la tasa de ocurrencia de planetas que satisfacen tales condiciones alrededor de estrellas de tipo M es pequeña. Las nuevas simulaciones realizadas por Tadahiro Kimura, estudiante de doctorado de la Universidad de Tokio y el profesor Masahiro Ikoma de la División de Ciencias de la NAOJ, se han centrado en la formación de una atmósfera rica en hidrógeno a partir del disco protoplanetario y la producción de agua a través de la reacción entre la atmósfera y el océano de magma.
Han desarrollado un nuevo modelo de formación de planetas y, con ello, han predicho las cantidades de agua de mar que tendrían los exoplanetas que orbitan estrellas de tipo M. Como resultado, su estimación muestra que varios por ciento de los planetas con radios similares a los de la Tierra e insolación que orbitan estrellas de tipo M tienen cantidades moderadas de agua de mar. Esto sugiere que es probable el descubrimiento de planetas con climas templados en la próxima década. Los resultados de la investigación han sido publicados en Nature Astronomy el 29 de septiembre.
Desde la primera detección en 1995, se han detectado más de 5.000 planetas que orbitan estrellas distintas al sol (exoplanetas). La detección de una cantidad tan grande de exoplanetas ha demostrado que los sistemas planetarios existen comúnmente en el universo. Por otro lado, también ha quedado claro que los exoplanetas son diversos en cuanto a tamaño, composición, distancia a la estrella central e insolación.
Entre los planetas detectados hasta ahora, hay muchos planetas del tamaño de la Tierra. Si alguno de ellos tiene un clima templado como el de la Tierra es un tema de gran interés. El agua es necesaria para la vida en la Tierra, pero el agua también juega un papel importante en el clima. Se sabe que el mantenimiento de climas templados requiere una cantidad moderada de radiación estelar así como un océano con una cantidad moderada de agua.
La Tierra actual es capaz de mantener un clima cálido debido al funcionamiento del ciclo del carbono con la tectónica de placas y la meteorización continental; si la cantidad de agua oceánica fuera varias docenas de veces mayor que en la Tierra, el ciclo del carbono se restringiría, lo que daría como resultado un clima extremadamente cálido o frío.
Una idea generalizada es que los océanos de la Tierra actual fueron generados por cuerpos rocosos o helados que contenían agua. Estudios previos que aplicaron esta idea a exoplanetas alrededor de estrellas de tipo M condujeron a la predicción de que los planetas con un contenido de agua moderado son raros, lo que sugiere que aunque las estrellas de tipo M son el objetivo principal de futuras búsquedas de planetas habitables, es muy poco probable que se encuentren planetas habitables. .
Por otro lado, la producción de agua en una atmósfera acumulativa fue propuesta como un proceso alternativo de adquisición de agua en investigaciones previas del Prof. Ikoma y su colega. Generalmente, a medida que un planeta crece en un disco protoplanetario, adquiere gas gravitacionalmente del disco y forma una atmósfera compuesta principalmente de hidrógeno.
Además, se cree que la superficie rocosa del planeta en crecimiento está fundida debido al calor de los impactos celestes (ver Fig. 1); es decir, el planeta está cubierto por un océano de magma. En este momento, una reacción química entre el hidrógeno atmosférico y los óxidos en el océano de magma conduce a la producción de agua. Teniendo en cuenta los efectos de tal reacción productora de agua, es posible formar un planeta más rico en agua que en los modelos teóricos convencionales.
Figura 2:Distribución de radios orbitales y masas de planetas formados alrededor de 10.000 estrellas de tipo M (0,3 masas solares). El color de cada símbolo representa la fracción de masa de la atmósfera primordial del planeta. Los cuadros discontinuos indican regiones de planetas de masa cercana a la Tierra en la zona habitable. Crédito:Observatorio Astronómico Nacional de Japón
La cantidad de roca hidratada adquirida por un planeta y la cantidad de agua obtenida de las reacciones que producen agua dependen en gran medida del proceso de formación del planeta. En este estudio, Tadahiro Kimura y Masahiro Ikoma han desarrollado un nuevo modelo de síntesis de población planetaria para reestimar la frecuencia de planetas acuáticos en sistemas extrasolares alrededor de estrellas de tipo M.
El modelo sigue el crecimiento de masa y la evolución orbital de los planetas basándose en las últimas teorías de formación de planetas y puede calcular la cantidad de agua adquirida en el proceso. Además de la adquisición previamente considerada de rocas hidratadas, el modelo también incorpora recientemente el efecto de la producción de agua en la atmósfera primordial.
Las simulaciones numéricas que utilizan este modelo muestran que se produce una amplia variedad de planetas de diferentes tamaños y masas atmosféricas en varios lugares (ver Fig. 2). El contenido de agua calculado para los planetas en la zona habitable se muestra en la Fig. 3.
Figura 3:Distribución de probabilidad de fracciones de masa de agua de mar para planetas de masa similar a la de la Tierra (0,3-3 veces la masa de la Tierra) ubicados en la zona habitable alrededor de estrellas de tipo M (0,3 masas solares). El verde es el resultado de cálculos siguiendo el modelo convencional y considerando únicamente la adquisición de rocas acuíferas. El naranja es el resultado cuando se utiliza el modelo del presente estudio y se tiene en cuenta el efecto de la producción de agua en la atmósfera primordial. La línea punteada es la cantidad actual de agua de mar en la Tierra. Crédito:Observatorio Astronómico Nacional de Japón
Como se muestra en la figura, los exoplanetas que orbitan estrellas de tipo M pueden retener cantidades muy diversas de agua cuando funciona la producción de agua en la atmósfera primordial. Algunos de estos planetas se han formado con cantidades de agua de mar similares a las de la Tierra. La mayor parte del agua de mar en estos planetas proviene de la producción de agua atmosférica. El análisis de los datos computacionales ha llevado a la predicción de que varios porcentajes de planetas con radios planetarios entre 0,7 y 1,3 veces el de la Tierra retienen cantidades adecuadas de agua para sostener climas templados (alrededor de 0,1 a 100 veces el contenido de agua de mar de la Tierra).
Se espera que se detecten casi 100 planetas del tamaño de la Tierra en la zona habitable alrededor de las estrellas de tipo M en programas de exploración de exoplanetas en curso y futuros, como TESS y PLATO. Los resultados de este estudio predicen que varios de estos planetas serán planetas acuáticos con climas cálidos similares a los de la Tierra.
Las observaciones de los espectros atmosféricos de exoplanetas por los telescopios espaciales infrarrojos JWST y Ariel también revelarán la presencia de moléculas de agua y otros elementos en la atmósfera. Se espera que estas observaciones validen las predicciones teóricas de esta investigación y conduzcan a una mejor comprensión del proceso de formación de planetas acuáticos como la Tierra. Opinión:Los científicos podrían haber descubierto un planeta similar a la Tierra. Deja que uno de ellos te lo cuente.
