Cuanto más joven es el planeta, más probable es que sea habitable

Hemos descubierto miles de exoplanetas y es probable que encontremos muchos miles más. Si bien la amplia variedad de planetas que hemos encontrado son científicamente interesantes por derecho propio, lo que se esconde detrás de todos estos descubrimientos es la búsqueda de un mundo que pueda albergar vida.

Pero para separar los mundos potencialmente habitables de todos los demás, necesitamos una forma de filtrar todos los exoplanetas que seguimos descubriendo. Sabemos que los mundos rocosos como la Tierra son los mejores lugares para buscar condiciones habitables, pero según un nuevo estudio, la edad importa. Deberíamos prestar especial atención a los mundos rocosos jóvenes.

¿Por qué? Porque los planetas terrestres jóvenes tienen una fuente de calor interna que es fundamental para la vida.

Todavía estamos en nuestros primeros años de comprensión de los exoplanetas. Nuestra forma principal de entender la habitabilidad, o al menos la habitabilidad potencial, es lo que se conoce como la «Zona Ricitos de Oro». Es una zona alrededor de una estrella donde un planeta podría estar a la temperatura adecuada para mantener agua líquida en su superficie, siempre que la atmósfera lo permita. Ni demasiado caliente, ni demasiado fría, como las gachas de Ricitos de Oro.

Pero la investigación muestra cuán básico puede ser nuestro enfoque Goldilocks Zone. Los planetas pueden tener climas muy diferentes entre sí dentro de la zona, y algunos de esos climas son francamente inhóspitos para la vida. Los mundos en una zona habitable pueden ser tan fríos que el agua está congelada o pueden ser tan calientes que solo hay vapor de agua.

La clave principal para la habitabilidad son las condiciones templadas. Desde la distancia, la mejor manera de determinar el calor de un planeta y su capacidad para albergar agua líquida en su superficie es medir la distancia a su estrella y la radiación estelar que recibe de la estrella. Eso es lo que dio origen a la idea de la Zona Ricitos de Oro. Pero los planetas también pueden generar su propio calor si no son demasiado viejos. La Tierra lo hace, y el calor hace más que ayudar a que el agua superficial persista. La fuente de calor interna de la Tierra mantiene nuestro planeta templado y adecuado para la vida durante períodos de tiempo de giga años.

Los planetas terrestres se calientan por desintegración radiactiva de los elementos productores de calor (HPE). Los isótopos de uranio, los isótopos de potasio y los isótopos de torio son HPE en el núcleo de la Tierra y, a medida que se descomponen con el tiempo, sirven como fuente de calor interna. El calor impulsa la convección del manto del planeta, el movimiento lento del material del manto hacia la superficie de la Tierra. Esto impulsa el ciclo del carbono, fundamental para la vida. A medida que el material enterrado durante mucho tiempo en el manto de la Tierra se expone a la atmósfera, libera CO2, calentando el planeta. Pero durante períodos extremadamente largos, la Tierra se enfriará a medida que los isótopos se descompongan y se estabilicen. La convección del manto se debilita, el ciclo del carbono se ralentiza y el planeta se estanca. Cuando eso suceda en la Tierra, se acabará el juego.

La convección del manto es el movimiento lento del material del manto hacia la superficie de la Tierra, impulsado por el calor de la descomposición de los radionúclidos. A medida que el material del manto llega a la superficie, libera CO2 que calienta la atmósfera. Crédito de la imagen: por Surachit - SVG de trabajo propio, basado en la imagen del USGS de dominio público que se encuentra aquí [1] y cargado originalmente aquí, CC BY-SA 3.0, — La convección del manto es el movimiento lento del material del manto hacia la superficie de la Tierra, impulsado por el calor de la descomposición de los radionúclidos. A medida que el material del manto llega a la superficie, libera CO2, que calienta la atmósfera. Crédito de la imagen: por Surachit: trabajo propio SVG, basado en la imagen del USGS de dominio público que se encuentra aquí [1] y cargado inicialmente aquí, CC BY-SA 3.0,

Entonces, el calor interno de un planeta puede ser tan importante como el calor que recibe de su estrella. Solo el calor interno puede impulsar la convección del manto y el ciclo del carbono. Y el mejor indicador del calor interior y del ciclo del carbono es la juventud planetaria.

El nuevo estudio es “Vidas de desgasificación del manto a través del tiempo galáctico, y los exoplanetas rocosos de tapa estancada de edad máxima pueden soportar climas templados «. Está publicado en The Astrophysical Journal, y el autor principal es el Dr. Cayman Unterborn, científico investigador del Southwest Research Institute (SwRI).

Cuando la convección del manto mueve el material del manto hacia la superficie de la Tierra, el CO2 que libera se denomina desgasificación del manto y es en parte responsable del clima cálido de la Tierra. Sin el CO2 de la desgasificación, es poco probable que un planeta pueda albergar vida. La pregunta es, ¿cuándo es probable que se estanque la desgasificación del manto impulsada por el calor interno?

“Es más probable que los exoplanetas sin desgasificación activa sean planetas fríos y con forma de bola de nieve”

Dr. Cayman Unterborn, autor principal, SwRI.

«Sabemos que estos elementos radiactivos son necesarios para regular el clima, pero no sabemos cuánto tiempo estos elementos pueden hacer esto porque se descomponen con el tiempo», dijo el autor principal Unterborn. “Además, los elementos radiactivos no se distribuyen uniformemente por toda la galaxia y, a medida que los planetas envejecen, pueden quedarse sin calor y cesará la desgasificación. Debido a que los planetas pueden tener más o menos de estos elementos que la Tierra, queríamos entender cómo esta variación podría afectar el tiempo que los exoplanetas rocosos pueden soportar climas templados similares a los de la Tierra”.

El conocido sistema TRAPPIST-1 contiene el mayor grupo de planetas del tamaño aproximado de la Tierra que conocemos. Hay siete de ellos, con cuatro en la zona habitable de la estrella. Pero tienen alrededor de ocho mil millones de años, por lo que su fuente de calor interna probablemente se haya enfriado, lo que significa que la desgasificación del CO2 del manto no puede mantener calientes sus atmósferas. Con toda probabilidad, ahora están demasiado fríos para albergar vida, aunque estén en la zona habitable de su estrella. Crédito de la imagen: NASA/JPL-Caltech

La única forma en que podemos saber qué planetas pueden tener suficientes HPE para impulsar la convección del manto es observando el metalicidad de su estrella. Es mucho más fácil estudiar una estrella distante que un planeta a la misma distancia. Podemos estimar la densidad de un exoplaneta desde una gran distancia y tener una idea de lo que podría estar hecho. Pero no tenemos forma de medir su composición en detalle. Dado que una estrella y sus planetas se forman a partir del mismo material principal, la metalicidad de la estrella es similar a la de sus planetas. Si una estrella tiene una alta metalicidad, entonces sus planetas probablemente también la tengan.

“Usando estrellas anfitrionas para estimar la cantidad de estos elementos que entrarían en los planetas a lo largo de la historia de la Vía Láctea, calculamos cuánto tiempo podemos esperar que los planetas tengan suficiente vulcanismo para soportar un clima templado antes de quedarse sin energía”, dijo Unterborn. . “Bajo las condiciones más pesimistas, estimamos que esta edad crítica es de solo alrededor de 2 mil millones de años para un planeta con la masa de la Tierra y alcanza los 5-6 mil millones de años para planetas de mayor masa en condiciones más optimistas. Para los pocos planetas para los que tenemos edades, encontramos que solo unos pocos eran lo suficientemente jóvenes como para que podamos decir con confianza que pueden tener una desgasificación de carbono en la superficie hoy cuando lo observaríamos con, digamos, el Telescopio Espacial James Webb”.

Esta figura del estudio presenta mapas de colores interpolados de los límites del intervalo de confianza del 95 % promedio (centro), inferior (izquierda) y superior (derecha) sobre la vida útil de desgasificación del manto para los exoplanetas con párpados estancados en función de la masa del planeta y la edad del sistema. El equipo define el cese de la desgasificación cuando la tasa de desgasificación cae por debajo del 10% del valor actual de la Tierra. El equipo encontró que para un exoplaneta rocoso de tapa estancada, la vida útil de la desgasificación del manto aumenta con la masa del planeta, pero ha disminuido a medida que la Galaxia envejece. A medida que la Galaxia envejecía, los HPE individuales (elementos productores de calor) se producían y decaían a diferentes velocidades, lo que significa que la concentración que un planeta heredaría al formarse y el balance de calor radiogénico del planeta son una función de cuándo se formó en Galáctica. historia. Crédito de la imagen: Unterborn et al. 2022. — Esta figura del estudio presenta mapas de colores interpolados de los límites inferior (izquierda), promedio (medio) y superior (derecha) del intervalo de confianza del 95 % en la vida útil de desgasificación del manto para los exoplanetas con párpados estancados en función de la masa del planeta y la edad del sistema. El equipo define el cese de la desgasificación cuando la tasa de desgasificación cae por debajo del 10% del valor actual de la Tierra. Los investigadores encontraron que para un exoplaneta rocoso con tapa estancada, la vida útil de la desgasificación del manto aumenta con la masa del planeta, pero ha disminuido a medida que la galaxia envejece. A medida que la galaxia envejecía, los HPE individuales (elementos productores de calor) se producían y decaían a diferentes velocidades, lo que significa que la concentración que heredaría un planeta tras su formación y el balance de calor radiogénico del planeta son una función de cuándo se formó en la historia galáctica. Crédito de la imagen: Unterborn et al. 2022.

En este trabajo, los investigadores utilizaron observación y modelado para comprender mejor qué parámetros relacionados con la desgasificación del manto afectan el clima templado de un planeta. Estimaron la distribución de los elementos productores de calor (HPE) que se vuelven parte de los planetas rocosos a lo largo de la historia galáctica. Basaron sus estimaciones en la variación de sistema a sistema observada en los datos de abundancia estelar y los resultados de los modelos de evolución química galáctica. Los modelos GCE muestran que cuanto más tarde se forma un planeta en la historia de su galaxia anfitriona, más menos calor radiogénico Empieza con. Esto se debe a que, con el tiempo, la química general de la galaxia cambia a medida que mueren las estrellas viejas y nacen otras nuevas.

Con esas estimaciones, realizaron una serie de simulaciones de Monte Carlo que maximizaron la tasa de enfriamiento del manto. «Esto nos permite crear una estimación pesimista de la vida útil de un exoplaneta rocoso con tapa estancada que puede soportar un ciclo global del carbono y un clima templado en función de su masa y de cuándo está en la historia galáctica». el equipo escribe.

Luego aplicaron el marco resultante a 17 exoplanetas conocidos que probablemente sean rocosos, siete de los cuales aún podrían estar desgasificando hoy. Es probable que el resto de los planetas, incluidos los del sistema TRAPPIST-1, no se desgasifiquen lo suficiente como para mantener un clima templado sin otras fuentes de calor como el calentamiento por mareas.

Esta captura de pantalla de Eyes on Exoplanets de la NASA muestra la ilustración de un artista de K2-36 b. En este estudio, este es uno de los planetas que tiene un nivel de confianza del 95% de que todavía experimenta la desgasificación del manto. Es una súper Tierra que orbita una estrella de tipo K de larga vida, pero probablemente esté demasiado cerca de la estrella para albergar vida. Crédito de la imagen: NASA

«Es más probable que los exoplanetas sin desgasificación activa sean planetas fríos y con forma de bola de nieve», dijo Unterborn. “Si bien no podemos decir que los otros planetas no se están desgasificando hoy, podemos decir que requerirían condiciones especiales para hacerlo, como tener calentamiento por mareas o someterse a la tectónica de placas. Esto incluye los exoplanetas rocosos de alto perfil descubiertos en el sistema estelar TRAPPIST-1. Independientemente, los planetas más jóvenes con climas templados pueden ser los lugares más fáciles para buscar otras Tierras”.

Cuando se trata de comprender los exoplanetas y su habitabilidad, todavía estamos en los primeros años. La falta de datos detallados sobre planetas individuales nos frena. Los científicos luchan por obtener datos detallados sobre exoplanetas individuales, y los autores dicen que las estrellas anfitrionas tienen más que decirnos sobre los HPE en los planetas. “Un exoplaneta rocoso individual nos proporciona una escasez de datos directos para comprender su evolución”, escriben los autores. “La edad de la estrella anfitriona y la abundancia de radionúclidos, si bien nos informan indirectamente sobre el planeta, son observables críticos y actualmente infrautilizados que nos permitirán comprender mejor tanto la historia de un exoplaneta como su probabilidad actual de ser templado hoy, independientemente del estado tectónico. ”

Esta ilustración muestra tres planetas rocosos con diferentes cantidades de calor de diferentes cantidades de HPEs. El planeta del medio es similar a la Tierra, con una dínamo interna que genera un campo magnético y con placas tectónicas. El planeta superior tiene aún más calentamiento, pero no tiene dínamo interno ni campo magnético, y tiene niveles extremos de vulcanismo. El planeta inferior tiene menos calentamiento, no tiene vulcanismo y está geológicamente "muerto". Crédito de la imagen: Melissa Weiss — Esta ilustración muestra tres planetas rocosos con diferentes cantidades de calor de diferentes cantidades de HPEs. El planeta del medio es similar a la Tierra, con una dínamo interna que genera un campo magnético y con placas tectónicas. El planeta superior tiene aún más calentamiento, pero no tiene dínamo interno ni campo magnético, y tiene niveles extremos de vulcanismo. El planeta inferior tiene menos calentamiento, no tiene vulcanismo y está geológicamente «muerto». Crédito de la imagen: Melissa Weiss

La abundancia de HPE es una métrica subutilizada, y aunque los autores señalan cuán crítica es la abundancia, todavía hay problemas en nuestra comprensión que deben resolverse. Las estrellas no sostienen carteles que nos digan su metalicidad y qué tan directamente se correlaciona con los HPE en un planeta. Por ejemplo, el documento señala que el potasio 40 juega un papel más importante que otros HPE, pero es difícil inferir su presencia en los planetas. “De las HPEs, ⁴⁰K es el elemento dominante que controla la vida útil de la desgasificación del manto y, por lo tanto, establece la edad ${}_{máximo}$ para esos planetas que probablemente se están desgasificando hoy”, escriben. “A diferencia del torio y el uranio, las concentraciones de K y ⁴⁰K no son directamente deducibles de las determinaciones de abundancia de la estrella anfitriona”, explican.

El telescopio espacial James Webb está a punto de comenzar a hacer ciencia y, aunque no puede medir directamente los HPE en los planetas, seguirá contribuyendo a nuestra comprensión general de la desgasificación del manto de exoplanetas. El JWST podrá caracterizar las atmósferas de los exoplanetas con más detalle que nunca. Examinará planetas específicos individualmente, y esos datos construirán una mejor comprensión de la variación de las atmósferas de los exoplanetas. Aumentaremos nuestro conocimiento de cómo las atmósferas interactúan con la superficie y el interior de un exoplaneta. Si podemos usar las observaciones del JWST junto con la edad de la estrella anfitriona y la abundancia de HPE, tendremos una mejor comprensión de qué planetas todavía están experimentando la desgasificación del manto. Ese será un gran paso hacia una mejor comprensión de la habitabilidad.

“A medida que avanzamos hacia una caracterización más profunda de objetivos individuales en la era del Telescopio Espacial James Webb, estos observables astronómicos directos e indirectos, junto con datos de laboratorio y modelos de la comunidad de geociencias, nos permitirán estimar mejor si un exoplaneta rocoso en tanto la zona habitable canónica como la temporal ha agotado su calor interno y es simplemente demasiado vieja para parecerse a la Tierra”, concluyen los autores.