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20 de enero de 2018
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Mundos como la Tierra
Ilustración: Raúl Cruz

Mundos como la Tierra

Antígona Segura Peralta

La búsqueda de vida fuera de nuestro planeta recibirá un fuerte impulso en la próxima década, cuando contemos con instrumentos capaces de encontrar planetas habitables alrededor de otras estrellas. Investigadores de muchas áreas del conocimiento están desarrollando las bases científicas que nos permitirán identificar tales mundos y planean las misiones de exploración espacial que harán posible esta aventura.

Hasta hoy, todos los seres vivos que conocemos habitan en nuestro planeta. No obstante las millones de formas que ha adoptado la vida en la Tierra, todos los organismos terrestres compartimos el código del ADN, lo cual nos indica que hemos surgido del mismo ancestro. ¿Qué otras formas de vida serán posibles? ¿Dónde estarán? ¿Cómo buscarlas?

En el Universo hay entornos que van desde nubes heladas de polvo y gas hasta estrellas de superficies ardientes, pero pocos sitios cumplen con las condiciones que requiere la vida. Si bien sólo tenemos un ejemplo de vida —la terrestre—, y por lo tanto no podemos generalizar a otras formas de vida, las leyes de la física, que son universales, imponen límites a las otras posibilidades.

Hasta donde sabemos, la vida sólo puede originarse donde se cumplan tres requisitos mínimos: materias primas como el carbono y el nitrógeno, al menos una fuente de energía —como la luz de una estrella— y una sustancia líquida que facilite las reacciones químicas que requiere la vida para generarse y evolucionar. Así, aunque el Universo sea muy grande y la vida muy adaptable, el lugar ideal para la vida será la superficie de un planeta.

Nos encontramos ahora con el inconveniente de que todos los astrónomos saben lo que es un planeta, pero no hay definición “oficial” del término. Digamos que es un objeto que orbita una estrella y es al menos del tamaño del más pequeño de los planetas del Sistema Solar: Plutón. Qué tan grande puede ser un planeta es un asunto debatible, pero normalmente se considera que es planeta cualquier objeto menor que una enana café (estrellas fallidas pues no son lo bastante grandes para iniciar las reacciones termonucleares que los convertirían en estrellas). En otras palabras, un planeta debe tener una masa menor al 1% de la del Sol.

Nuestro planeta mantiene una agradable temperatura promedio de 15°C en la superficie gracias a la luz que recibe del Sol y a la atmósfera. Ésta es una característica permanente, pues la energía recibida del Sol es siempre la misma debido a que la órbita de nuestro planeta es casi circular. La Tierra cuenta también con un ingrediente indispensable: el agua líquida. Esta sustancia es capaz de disolver las moléculas orgánicas que necesitan los seres vivos, permitiendo que estén disponibles para las células. Nuestro planeta contiene además otras materias primas que componen la vida —carbono, nitrógeno, oxígeno, hidrógeno y otros elementos menores como el fósforo—. Lo tenemos todo: materias primas, energía y agua, el solvente ideal.

Los mundos que nos rodean

Demos un vistazo a nuestros vecinos, los otros ocho planetas del Sistema Solar. Mercurio es el planeta más cercano al Sol. En tamaño y apariencia es muy semejante a nuestra Luna. Sin atmósfera que redistribuya el calor, la temperatura cambia drásticamente a lo largo del día, lo que impide que haya líquidos en la superficie. En semejantes condiciones la materia no puede organizarse en seres vivos, por lo que el primer mundo del Sistema Solar resulta inhabitable.

Venus es un planeta rodeado de una atmósfera nubosa y muy semejante en tamaño al nuestro, aunque su clima no se parece en nada al terrestre. Su atmósfera es densa y caliente, y está compuesta principalmente de bióxido de carbono (CO2). También contiene ácido sulfúrico, un gas altamente corrosivo. Venus resulta demasiado hostil para la vida y nos muestra lo que le sucede a un planeta con atmósfera cuando está cerca del Sol. El CO2 produce el afamado efecto invernadero, que conocemos tan bien en la Tierra: gracias a que nuestra atmósfera retiene parte del calor del Sol, la temperatura terrestre está por arriba del punto de congelación del agua. En Venus hay un efecto invernadero desbocado, en el que la energía solar queda atrapada en la atmósfera y ésta se hace cada vez más caliente.

Marte tiene un color parecido al rojo de los metales oxidados debido a que, de hecho, está oxidado. La superficie marciana contiene una gran cantidad de hierro que se ha ido combinando con oxígeno al paso del tiempo. Su atmósfera es mucho más tenue que la terrestre y su temperatura promedio es de unos 53°C bajo cero. En este planeta hay agua, pero se encuentra en forma de hielo en los polos y enterrada bajo la superficie. Con una atmósfera tan tenue, la superficie de Marte está bañada en rayos ultravioleta del Sol, que destruyen cualquier materia orgánica. Otra vez nos encontramos con un ambiente nada propicio para la vida.

Salimos ahora hacia los planetas gaseosos. No obstante lo majestuoso de estos enormes mundos, nuestro paseo será corto, pues comparten características que nos permiten verlos en conjunto. Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno están compuestos principalmente de gases como el hidrógeno y el helio. En los planetas rocosos, descritos anteriormente, estos gases escaparon al espacio porque son muy ligeros y la gravedad de los planetas pequeños no bastó para retenerlos. El hidrógeno, aunque está presente en la Tierra y es uno de los elementos indispensables para los seres vivos, si se encuentra en grandes cantidades evita la formación de moléculas orgánicas complejas. Por otro lado, la luz del Sol que llega hasta los planetas gaseosos no es suficiente para proporcionarles calor. Los vientos y altas presiones en sus atmósferas hacen de ellos lugares poco aptos para la vida.

Al final está Plutón, un mundo rocoso del que sabemos muy poco, excepto que se halla muy lejos del Sol y su atmósfera es una tenue capa de gases que se subliman (van del estado sólido al gaseoso sin pasar por el líquido) de su congelada superfi cie. Basta con eso para deducir que no es un sitio habitable.

Este paseo nos deja claro que el tamaño sí importa, pues un planeta habitable tiene que ser sufi cientemente grande como para retener su atmósfera y mantener procesos geológicos activos —vulcanismo y generación de corteza—. Esto lo limita a tener una masa de al menos la mitad de la terrestre. Y si el planeta es muy grande, tendremos un mundo gaseoso incapaz de albergar vida; así, un planeta habitable debe tener menos de 10 veces la masa terrestre.

Ni tanto que queme al santo…

Si nos acercamos a un foco podemos sentir la energía que emite en forma de calor. Conforme nos alejamos, la energía va disminuyendo hasta hacerse imperceptible. De forma semejante, la energía de una estrella se va diluyendo en el espacio con la distancia.

Este fenómeno es primordial en la búsqueda de planetas habitables. De él se deriva una de las defi niciones más útiles de la astrobiología: la de zona habitable de una estrella, que es la región de su entorno donde un planeta puede tener agua líquida en la superficie. ¿Por qué agua y no cualquier otra sustancia? Porque ningún líquido tiene propiedades físicas y químicas tan versátiles como el agua (véase “La extravagancia del agua”, ¿Cómo ves?, No. 72) y porque ésta se halla presente en las regiones donde se forman los planetas, además de ser abundante en el Universo. Sabemos al menos que toda la vida en la Tierra requiere de agua, por lo que esta definición es la más general que tenemos para buscar vida extraterrestre.

Pensemos en un planeta que gira alrededor de una estrella. Pongámoslo muy cerca de la superficie estelar... caliente, caliente, muy caliente. Ahora alejémoslo hasta llegar al punto donde el planeta puede conservar el agua sin que el calor de la estrella la evapore. Estamos en el primer límite de la zona habitable. Si seguimos alejándonos de la estrella, el planeta mantendrá su agua líquida hasta que la energía estelar ya no sea suficiente y el agua empiece a congelarse. Hemos llegado al final de la zona habitable. En esta descripción falta un ingrediente muy importante: la atmósfera del planeta. Si no existe, la energía estelar no se distribuirá, y en consecuencia habrá cambios drásticos en la temperatura superficial del planeta. Además, la atmósfera ejerce la presión que el agua requiere para permanecer líquida. En conclusión: el planeta debe ser lo suficientemente grande como para mantener una atmósfera que guarde el calor estelar, pero la atmósfera no puede convertirse en el componente principal del planeta, pues tendríamos mundos estériles como los gigantes gaseosos. Lo que buscamos es un planeta como la Tierra, un mundo terrestre.

Una entre tantas

Nuestra galaxia, el conjunto de gas y estrellas en el que se encuentra el Sol, tiene unos 100 mil millones de estrellas, un número abrumador si deseamos buscar mundos habitables en cada una de ellas. Pero, ¿todas las estrellas pueden tener planetas?

La formación de los planetas está ligada al nacimiento de las estrellas. Éstas se forman en nubes muy frías —con temperaturas muy cercanas al cero absoluto: unos 270 °C bajo cero— compuestas de polvo y gas que dejaron otras estrellas en las últimas etapas de su evolución. Estas nubes tienen grumos densos donde el polvo y el gas comienzan a acumularse y forman un embrión estelar. La nube gira mientras la materia de alrededor se acumula en un núcleo. La estructura resultante contiene la esfera de gas —protoestrella— rodeada por un disco de polvo y gas a la altura de su ecuador. En este disco, al principio denso, se formarán los planetas, unas cuantas rocas gigantes que girarán alrededor de una estrella recién nacida. Se le llama disco protoplanetario, aunque no sabemos cuántas de estas estructuras forman planetas y cuántas se diluyen en la nube molecular. Si bien no tenemos ni idea de cuántas estrellas pueden tener planetas ni mucho menos cuántos planetas puede haber alrededor de cada astro, sabemos el tiempo de vida de las estrellas. Aunque existe la posibilidad de que haya planetas en cada estrella, no estamos interesados en todas. La vida requiere su tiempo para surgir y evolucionar, por lo que descartaremos a las estrellas menos longevas.

La Tierra necesitó al menos 500 millones de años para generar las primeras células vivientes. ¿Cuántas estrellas pueden vivir todo ese tiempo? Entre mayor es la masa de una estrella, más rápido consume su combustible. Una estrella con una masa 60 veces mayor que la del Sol vivirá sólo 500 mil años antes de explotar y acabar hecha polvo estelar. Con una masa del doble que la del Sol, una estrella vive unos dos mil millones de años antes de hincharse y convertirse en una gigante roja. Después libera sus capas exteriores y acaba como una enana blanca, que no es más que el núcleo de la estrella, tan caliente que la mayor parte de su luz se libera en forma de rayos ultravioleta, mortales para la vida. Una suerte similar le espera al Sol, sólo que éste vivirá un poco más: 10 mil millones de años —de los que ya lleva unos cinco mil millones—. Una estrella pequeña, digamos con un 20% de la masa del Sol, puede vivir hasta ¡600 mil millones de años! No tenemos que buscar en todas las estrellas, sólo en aquellas que viven lo suficiente para que la vida aparezca y se desarrolle.

¿Con cuántas estrellas nos quedamos? Más o menos con 99% de las que hay en la galaxia. Por fortuna, además de la longevidad de las estrellas hay otro factor que restringe nuestra búsqueda: las distancias interestelares. Entre más cercana está una estrella, mejor la podemos estudiar y más precisa será nuestra búsqueda. Dependiendo de la tecnología de detección utilizada, la muestra puede ir de unas 100 000 estrellas a unas 150.

En 1984 se observó por primera vez un disco protoplanetario alrededor de la estrella Beta Pictoris (segunda estrella más brillante de la constelación del Pintor, que se ve en los cielos del hemisferio sur). Desde entonces y gracias a instrumentos como el Telescopio Espacial Hubble, se han detectado otros discos que son la prueba de que la teoría sobre la formación de estrellas y planetas no está errada. En 1995 se descubrió el primer planeta de una estrella semejante al Sol, y la lista de planetas extrasolares aumenta cada día, como puedes comprobar en la página electrónica que lleva la cuenta de los nuevos mundos (planetquest1.jpl.nasa.gov/atlas/atlas_index.cfm).

Se sabe entonces que hay planetas alrededor de otros astros. El problema con todos ellos es que son como Júpiter o más grandes. Lo que necesitamos encontrar son planetas del tamaño adecuado para albergar vida, aunque el hecho de que un planeta tenga ese tamaño y esté a una distancia de su estrella que le permita tener agua líquida en la superficie no implica que el mundo esté habitado. Por ejemplo, podría no tener agua o carecer de atmósfera. ¿Cómo saber desde la Tierra que un exoplaneta alberga vida? La respuesta está en los biomarcadores.

Las señales

La vida ha dejado una huella reconocible en toda la Tierra. Las verdes extensiones de bosques y selvas y el mar iluminado por el plancton son dos ejemplos. Pero nada de esto se vería desde otra estrella, por lo que no debemos esperar ver cosas parecidas en nuestra búsqueda de exoplanetas habitables. Aunque la humanidad ha contribuido a modificar el planeta, la verdad es que quienes más drásticamente lo han cambiado son las especies unicelulares. Cuando se formó la Tierra, hace 4 500 millones de años, su atmósfera estaba constituida principalmente de bióxido de carbono (CO2). Hoy en día la atmósfera terrestre contiene 78% de nitrógeno (N2) y 21% de oxígeno (O2), con apenas un poco de CO2 (0.035%). La alta concentración de oxígeno en la atmósfera de hoy fue producida por un grupo de organismos llamados cianobacterias que obtienen energía del Sol por fotosíntesis; el oxígeno es un desecho de este proceso. Las cianobacterias fueron los primeros organismos en generar oxígeno y los únicos en hacerlo durante unos mil millones de años. Actualmente éstas producen una buena parte del O2, pero hay muchos otros organismos fotosintéticos que contribuyen a la producción de oxígeno. Otro compuesto liberado por organismos unicelulares es el metano (CH4), que constituye apenas el 0.0002% de la atmósfera terrestre, pero puede ser fundamental para identificar vida en otros mundos. El oxígeno y el metano son especialmente interesantes porque, como dicen los químicos atmosféricos, están en desequilibrio en la atmósfera. La radiación ultravioleta del Sol los destruye y no hay ningún proceso geológico que pueda mantener esos gases en las concentraciones presentes en la Tierra. Su permanencia en la atmósfera se debe a los seres vivos que los restituyen continuamente. Si elimináramos a estos organismos, el oxígeno y el metano desaparecerían, el primero en unos 4 000 años y el segundo en unos 10.

En 1975 el biofísico británico James Lovelock propuso usar estos gases como criterio para determinar la presencia de actividad biológica en un planeta. La composición de la atmósfera de un planeta se puede detectar a distancia. No hace falta tomar una muestra directa de la atmósfera de Marte o de Venus para saber de qué está hecha. Basta estudiar la luz que pasa a través de ella. Cada sustancia química absorbe componentes específicos de la luz que la atraviesa, lo que permite identificarla analizando el espectro de la luz (su distribución de energía por colores). Por ejemplo, en los espectros de Venus, la Tierra y Marte podemos apreciar la absorción de energía por el bióxido de carbono presente en las tres atmósferas (veáse figura en la pag. 12). El espectro terrestre tiene además las líneas de absorción del agua y el ozono (O3). Este último se forma cuando los rayos ultravioleta del Sol parten una molécula de O2 y ésta se recombina con otro átomo de oxígeno. Como el O2 es un compuesto generado por ciertos organismos vivos, su producto, el O3, será también un indicador de vida en el planeta. De manera general, todas las características planetarias cuya presencia o abundancia se deba a la vida se denominan biomarcadores o bioseñales. Así, por ejemplo, si en un exoplaneta detectáramos agua y dos biomarcadores, estaríamos ante una prueba confiable de que hemos encontrado el primer mundo habitado. Según resultados teóricos recientes, un planeta con las características que tuvo la Tierra hace entre 800 y 2 300 millones de años presentaría múltiples biomarcadores que lo harían fácilmente reconocible desde lejos como un mundo habitado.

Ahora sabemos qué estamos buscando y dónde podemos hallarlo. Pero, ¿cómo encontrarlo?.

Manos a la búsqueda

En la próxima década, la búsqueda de exoplanetas habitables llevará al límite la tecnología de observación combinando lo más refinado de la instrumentación astronómica. La NASA ha iniciado esta aventura con una serie de proyectos englobados en lo que se ha llamado Planet Quest y la Agencia Espacial Europea está empezando a desarrollar uno, el proyecto Darwin.

En la cima del monte Mauna Kea, Hawai, se encuentran los telescopios más grandes del mundo, los telescopios gemelos Keck. Con espejos de 10 metros de diámetro, han escudriñado el Universo desde la década de los 90. En marzo de 2001 comenzó la prueba de un interferómetro que utiliza ambos telescopios. Con esta técnica, los telescopios funcionan en equipo para poder ver más lejos. La capacidad de aumento de esta técnica depende de la separación de los telescopios, que en este caso es de 85 metros. El instrumento se usará para detectar principalmente radiación infrarroja porque los restos de nubes moleculares que aún rodean a los sistemas planetarios muy jóvenes absorben buena parte de la luz visible que éstos emiten. La radiación absorbida es reemitida por el polvo de estas nubes en el infrarrojo. El interferómetro Keck determinará la cantidad de polvo que rodea a las estrellas cercanas y permitirá a futuras misiones obtener imágenes directas de los posibles planetas. Con la interferometría puede determinarse con mucha precisión la posición de las estrellas. Esto resulta útil en la búsqueda de planetas debido al efecto de la gravedad de éstos sobre la estrella. Cada planeta“jala” a su estrella produciendo un ligero bamboleo, el cual se traduce en un pequeño cambio de posición. Detectando bamboleos, el interferómetro Keck podrá encontrar planetas del tamaño de Urano y mayores, lo que nos dará un mejor panorama de los sistemas planetarios cercanos a la Tierra.

En un concierto nunca falta quien lleve binoculares para ver con detalle a los músicos. Mientras más grandes sean los binoculares, mejor. Unos binoculares con dos espejos de ocho metros, aunque imposibles de llevar a un concierto, nos permitirían ver muchos detalles de las estrellas. El Gran Telescopio Binocular (LBT por sus siglas en inglés) que se está construyendo actualmente en Arizona será equivalente a un interferómetro de 22.8 m de separación. Aunque más pequeño que el del Keck, tiene una característica especial: en vez de intensificar la luz de un objeto, la anulará, de manera que se podrá usar para eliminar la luz de la estrella central y dejar ver los planetas, que son mucho menos luminosos. El LBT tiene como objetivo buscar sistemas planetarios en 80 estrellas cercanas. Sus resultados serán muy útiles para el último de los proyectos del Planet Quest.

Otra de las misiones de búsqueda de planetas extrasolares apoyadas por la NASA se llama Kepler. El proyecto consiste en un tipo especial de telescopio, denominado fotómetro, que sirve para medir cambios en el brillo de las estrellas y será colocado en órbita alrededor de la Tierra. Aunque el telescopio mide sólo 1 metro de diámetro, llevará a nuevas alturas la tecnología conocida como CCD, que se usa hoy en día en cámaras digitales y de televisión, así como en telescopios, para registrar imágenes. Lo que se espera detectar con Kepler son los cambios de brillo de una estrella cuando un planeta pasa frente a ella, obstruyendo parte de su luz. El fotómetro será lanzado en 2007 y analizará 100 000 estrellas cercanas en un lapso de cuatro años. Si los planetas están a la misma distancia de su estrella que la Tierra del Sol, podrían encontrarse unos 50 planetas del tamaño del nuestro y unos 640 planetas con radios del doble del radio de la Tierra. Entre los objetivos de la misión está determinar la frecuencia de planetas terrestres en las zonas habitables e identificar las propiedades de las estrellas con sistemas planetarios.

Los interferómetros son instrumentos muy poderosos para escudriñar el Universo. Si éstos resultan tan útiles en la superficie terrestre, uno en el espacio será mucho mejor. Por eso la NASA se ha propuesto construir un interferómetro de 10 metros de separación que orbite alrededor de nuestro planeta. El instrumento, conocido como SIM (siglas en inglés de Misión Espacial de Interferometría), será lanzado en 2009 y participará en 10 proyectos clave, entre ellos el de buscar planetas habitables. Esta empresa se dividirá en tres partes: la primera será buscar planetas terrestres en las 250 estrellas más cercanas al Sol; la segunda utilizará una muestra de 2 000 estrellas, buscando planetas con masa mayor o igual a la de Neptuno; la tercera consistirá en buscar planetas tipo Júpiter alrededor de estrellas jóvenes, con el fin de probar las distintas hipótesis sobre la influencia de este tipo de planetas en la evolución de los sistemas planetarios.

Una vez que sepamos cuáles estrellas tienen planetas terrestres, la última de las misiones permitirá determinar si son habitables. El Buscador de Planetas Terrestres es el punto culminante en la aventura de buscar otras Tierras. El proyecto consiste en dos instrumentos: un coronógrafo y un interferómetro. Se espera que el primero se lance en 2014 y el segundo en 2020 para ser colocados en órbita alrededor de la Tierra. El coronógrafo bloqueará la luz de la estrella para buscar planetas a su alrededor. Recordemos que los planetas son unas mil millones de veces menos luminosos que una estrella, por lo que este instrumento es uno de los mayores retos tecnológicos de nuestra época. El interferómetro estará formado por una flotilla de telescopios de tres o cuatro metros de diámetro. La misión analizará en total 150 estrellas cercanas. A partir de estas observaciones se elegirán los planetas más brillantes para estudiar su espectro. Éste se comparará con los espectros de una base de datos que se está generando hoy en día. Dicha base consiste de espectros, simulados teóricamente, de planetas terrestres habitables con diferentes composiciones atmosféricas y alrededor de diversos tipos de estrellas. De esta comparación se espera determinar cuáles de los exoplanetas observados pueden ser habitables.

El sexto proyecto lo maneja la Agencia Espacial Europea y se encuentra en las primeras etapas de desarrollo. La propuesta para esta misión, llamada Darwin, es construir cinco telescopios de 1.5 metros de diámetro para un interferómetro que detectará radiación infrarroja. Los telescopios se encargarán de la fotometría de la estrella, mientras que el interferómetro anulará esta luz para buscar planetas cercanos al astro. La búsqueda se concentrará en 300 estrellas semejantes al Sol.

Los científicos creen que será posible utilizar los resultados de estas misiones en la nueva generación de buscadores de planetas terrestres, la cual podrá encontrar aún más planetas y observarlos en detalle; sin embargo, es prácticamente seguro que por mucho, mucho tiempo, la Tierra seguirá siendo el único planeta habitable con el que cuente la humanidad.  

Antígona Segura es investigadora en el Laboratorio Virtual de Planetas, un proyecto del Instituto de Astrobiología de la NASA. Para entrenarse como astrobióloga estudió la licenciatura en física en la Universidad Autónoma de San Luis Potosí, y la maestría en astronomía y el doctorado en ciencias de la Tierra en la UNAM. Cursó además el Diplomado en Divulgación de la Ciencia, también en la UNAM. www.geosc.psu.edu/~asegura

 
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