NeoFronteras

Acotan el tamaño para supertierras

Área: Espacio — domingo, 24 de noviembre de 2013

Según un estudio las supertierras por encima de 2,2 radios terrestres no serían habitables.

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Tengo un libro que compré en los años ochenta titulado “Planetas habitables” de Stephen H. Dole. Se trata de una traducción de un libro cuya primer edición (Habitable planets for man) es de 1968 y que milagrosamente se editó en castellano pese a la abundancia de fórmulas en su texto.
En esa época (sea los sesenta u ochenta) se creía que había planetas en otros sistemas, pero todavía no se había detectado ninguno. El autor se dedica a explicar cómo deben ser los hipotéticos planetas para que puedan albergar vida humana. Así por ejemplo, introduce el concepto de zona habitable como la región alrededor de la estrella en la que agua permanece líquida. Pero también habla de la forma de las órbitas, inclinación del eje de rotación del planeta, tamaño del mismo, rotación, gravedad, composición atmosférica, etc. Incluso postula dónde puede haber planetas habitables en sistemas estelares dobles. Así por ejemplo, Dole consideraba que el planeta habitable más grande tendría un radio de 1,25 el terrestre.
No deja de ser curioso que se pueda escribir un libro entero sobre unos objetos que eran hipotéticos en aquel entonces, pero que parecían inevitables. Lo malo es que en ciencia hasta que no se comprueba algo experimentalmente no se tiene realmente nada.
Los modelos han avanzado un poco desde entonces, pero tampoco mucho por falta de datos. Es más importante tener datos que delimiten los modelos que datos que los permitan, pues la proliferación de modelos no suele ser buena cosa. Se necesiten datos reales que eliminen los modelos que no son válidos.
Es justo ahora cuando se empiezan a tener buenos datos de tamaños y parámetros orbitales de muchos exoplanetas. Esto ha supuesto muchas sorpresas, pues hace 20 años se asumía que cualquier otro sistema solar tenia que ser como el nuestro y la realidad ha demostrado que estos pueden ser increíblemente variados. En este caso, como en otros, se tiende a tomar lo que conocemos (la vida terrestre, la Tierra o el Sistema Solar) como modelo para poder decir algo sobre objetos que en realidad desconocemos.
La realidad es que no hemos visto directamente todavía ningún planeta en su zona habitable. No tenemos ningún espectro al respecto ni ningún bioindicador. Así que sólo queda, de nuevo, elaborar modelos.
Un artículo publicado recientemente por Yann Alibert habla del tamaño máximo que pueden tener los planetas rocosos para mantener la vida. Sabemos que si son demasiado pequeños no pueden retener una atmósfera, por lo que la vida no puede aparecer y mantenerse. Esto es lo que parece que le pasó a Marte, un planeta con una atmósfera muy tenue, sin agua líquida sobre su superficie y sin vida, como parecen confirmar las sondas que periódicamente se mandan allí.
Además de que el tamaño del planeta tiene que ser lo suficientemente grande como para mantener una atmósfera, también lo debe ser para mantener una tectónica. Para que haya vida se necesitan mantener ciclos de los elementos y el ciclo del carbono depende de la tectónica.
En la Tierra el dióxido de carbono atmosférico reacciona para producir rocas carbonatadas que terminan en las zonas de subducción de las placas tectónicas. Posteriormente la actividad volcánica devuelve este dióxido de carbono a la atmósfera. La clave está en que esto permite un aporte de este gas para que se pueda realizar la fotosíntesis y además es forma un sistema regulador del clima. Si la temperatura baja demasiado, y esto ha pasado muchas veces en la Tierra e incluso se cree que ha estado totalmente cubierta de hielo y nieve, la actividad volcánica inyecta este gas de efecto invernadero en la atmósfera, en donde se va acumulando. Esto permite que la temperatura pueda volver a subir, pese a que el albedo sea muy alto por la presencia de hielo y nieve. Pero si la temperatura sube demasiado se producen más carbonatos rocosos que retiran dióxido de carbono de la atmósfera y entonces la temperatura baja. Naturalmente la escala de tiempos en este proceso es de millones de años.
Pero no sabemos muy bien cómo de grande puede ser una planeta para mantener la vida. Este tema es interesante porque entre los exoplanetas detectados hay bastante supertierras. Se sabe, eso sí, que si la masa es muy grande se retienen gases ligeros y se forma un planeta similar a Neptuno, para el que se asume que no puede haber vida.
Pero puede haber otros límites inferiores para que una supertierra no pueda mantener la vida. Según este trabajo no puede tener más de 1,7-2,2 radios terrestres, lo que restringe bastante las posibilidades.
En principio parecería que cuanto mayor sea un planeta rocoso mayor tectónica tendrá y, por tanto, mejor autorregulada tendrá su temperatura, pues el ciclo de carbono funcionará mejor. Siempre que no tengamos un minineptuno tendremos posibilidades para la vida.
Pero además de la tectónica hay otros factores. Se cree que algunas de estas supertierras puedan estar cubiertas totalmente de agua y esto puede condicionar todo el asunto.
El agua es un compuesto curioso. Es de las pocas sustancias que al congelarse tienen menos densidad y esto hace que el hielo flote. La capa de hielo que cubre los mares polares terrestres protege al agua que hay debajo de más congelación.
En física se pueden dibujar diagramas de estados para las sustancias, como el agua, pero también para otros compuestos. Estos nos dicen el estado que adquiere la sustancia para determinada presión y temperatura. El agua permanece líquida por debajo de los 100 grados para la presión normal, pero si bajamos la presión el agua se evapora mucho antes de alcanzar esa temperatura, como pasa cuando se sube una montaña alta. Este es el diagrama de fases del agua:

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Además de los estados sólido, líquido y gaseoso, el agua, al igual que otras sustancias, pueden adoptar estados exóticos, sobre todo a altas presiones. Así por ejemplo a partir de una presión de 2,4 gigapascales (el pascal es una unidad muy pequeña, pero ese número equivale a 24.000 atmósferas) el agua se transforma en hielo VII. Esto ocurriría en el fondo de los océanos de un planeta de tipo supertierra lo suficientemente grande y este hielo bloquearía la formación de carbonatos y, por tanto, se interrumpiría el ciclo del carbono.
Si el planeta es muy grande su gravedad también lo es y el peso de la atmósfera haría que la presión en superficie fuese tan grande que el agua no podría permanecer en estado líquido aunque la temperatura sea alta.
Como conclusión se podría decir que la supertierras acuáticas demasiado grandes carecería por tanto de vida.
Yann Alibert ha tenido en cuenta estos factores y calculado que el radio máximo de una supertierra está entre 1,7 a 2,2 veces el de la Tierra si se asume una composición similar a la Tierra. Planetas con radios entre 10000 y 14000 kilómetros no tendrían ya vida. Si tuvieran mayor cantidad de elementos pesados como el hierro y similares este límite sería aún más pequeño.
Unos cálculos sencillos indican que para una densidad igual a la terrestre la aceleración de la gravedad (que aquí es 9,8 m/s2) en la superficie de una supertierra sería de 16,7 y 22,6 m/s2 (1,7 g y 2,2 g respectivamente) para esos límites.
Exoplanetas como Gliese 581 g y Kepler-62e estarían justo por debajo de estos límites, por lo que tendrían posibilidad de albergar vida. Pero muchos otras supertierras tienen tamaños superiores y se quedarían fuera.
Obviamente se trata de un modelo que es mejorable. Pero, en todo caso, este tipo de cosas nos permiten repasar otros aspectos científicos.
Puede ser que haya supertierras de ese tamaño con poca agua. O puede que alguna gire tan rápido que en su ecuador la gravedad sea menor y sí que puedan darse las condiciones para la vida. Quizás incluso se pueda desarrollar lo que nos contó Hal Clement en “Misión de Gravedad”: una historia que se desarrolla en un planeta cuya aceleración de gravedad va de 700 g en los polos a 3 g en el ecuador. Posiblemente nunca lo sabremos.
La imaginación es lo que nos queda cuando no hay datos. Nada más, y nada menos.

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Fuentes y referencias:
Artículo original.
Ilustración de cabecera: Wikipedia.

Salvo que se exprese lo contrario esta obra está bajo una licencia Creative Commons.
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13 Comentarios

  1. Teo:

    Entonces como es que Venus y la Luna Titan tienen unas ricas atmosferas Y uno de ellos contiene liquido incluso y ambos son mucho mas chico que la Tierra?.. Si se confirma que Europa tiene agua liquida en su interior, entonces como el senor Alibert explica eso?..

  2. NeoFronteras:

    Ni Venus, ni Titán tienen agua líquida. Ambos representan casos extremos de temperatura en el Sistema Solar. Titán posee lagos de metano líquido y este compuesto no parece que sirva como disolvente de moléculas orgánicas complejas debido a su baja polaridad.
    Europa parece tener un océano de agua líquida salada bajo la capa de hielo que cubre toda esa luna, pero este punto está sin confirmar porque no se envían sondas allí, se envían a Marte.
    Sobre todo esto Alibert no dice nada, pues lo que ha calculado es una cota superior (con una amplia barra de error) para supertierras.

  3. Dr. Thriller:

    Creo que en realidad no tenemos un umbral mínimo de conocimiento para aventurar nada.

    He leído hace unos días en SciAm que otro chino ha calculado algo que ya es asombroso por sí mismo y es un palo así de grande al paradigma del enlace químico. Salvo rarezas muy concretas, siempre se dio por hecho que sólo los electrones más externos (o accesibles en energía) eran los que participaban en el enlace. Pues parece ser que no. En condiciones de presión no muy elevada (más que en el fondo del océano, por ejemplo, pero no es necesario en absoluto tanta como en el interior de un planeta) capas electrónicas perfectamente identificadas como atómicas pasan a ser moleculares -es decir, a enlazar-, creando moléculas completamente nuevas. Y desconocidas. El tipo ha hecho los cálculos teóricos, son consistentes, y sólo queda comprobar si es así.

    Si es así, todos los modelos planetarios internos hay que tirarlos a la basura. El diagrama de fases del agua no se ve afectado (en principio), dado que el hidrógeno no tiene más electrón que el que tiene, pero cualquier otra molécula donde haya átomos desde el segundo período habría que rehacer todos estos diagramas.

    Por otro lado, la observación de Teo es muy pertinente. La verdad es que no tenemos la más remota idea de por qué Marte, por ejemplo, ha perdido su atmósfera. Venus contiene tanto nitrógeno molecular en su atmósfera como la Tierra, no veo tampoco claramente un mecanismo por el cual Marte pierde todo su CO2 (o se deposita en el suelo) y en Venus no. Dicho sea de paso, Venus no ha perdido toda el agua, tiene aún considerable cantidad, lo que pasa es que su fracción molar respecto a la masiva atmósfera es efectivamente ridícula.

    En realidad, no sabemos si es “normal” o “raro” que mundos telúricos tengan o no tengan atmósferas, masivas o no. Creo que es posible asumir que Mercurio no tiene atmósfera (tiene la misma gravedad que Marte) por su proximidad al Sol, sin embargo tiene un contundente campo magnético.

    Por otro lado, ignoramos todo al respecto de los interiores planetarios. Sabemos que la Tierra tiene una tectónica de placas, y suponemos que el resto de mundos telúricos que conocemos no tienen nada de nada, y son pedruscos más o menos enfriados.

    A saber. A día de hoy no tenemos un sólo dato sismológico ni de Marte ni de Venus, así que toda conclusión es gratuita. Respecto a Marte parece claro que la mayor parte de superficie no ha experimentado mayores cambios que impactos meteoríticos y vulcanismo en escudo por todo lo alto (y relativamente, en escala geológica, reciente: ¿dónde está todo ese CO2?). Respecto a Venus, es que ni noción. Se ha postulado la hipótesis de una reformación completa de la superficie hace unos cientos de millones de años, pero esto es porque los cálculos sobre la antigüedad de la superficie no parecen ir mucho más atrás. Pero imaginar un episodio así, a escala global, me parece un poquito excesivo.

    Como para imaginarse siquiera cuán extraños podrían ser otros mundos. Dicho sea de paso, aunque un mundo de carbono pudiese estar empobrecido en agua, tal vez haya ahí (precisamente por eso) una vía para el amoníaco. O hidrocarburos, qué demonios. O ambas cosas.

  4. Miguel Ángel:

    Este tipo de aportaciones de Dr. Thriller son muy de agradecer: si se confirma lo que nos anticipa sería todo un bombazo.

  5. tomás:

    Tras tanto tiempo sin aparecer por aquí, sin leeros, queridos amigos todos, me sumo a la opinión de Miguel Ángel, sobre Dr. Thriller. A ver si puedo dedicar un poco de este tiempo, mi -simultáneamente- amigo y enemigo y que, encima, sin existir, me estropea mi mejor afición que es estar con vosotros.
    Un fuerte abrazo de bienvenida que yo mismo me doy por si nadie me lo da.

  6. Miguel Ángel:

    ¡¡¡Tomaaaás!!! ¡No podía llevarme sorpresa mejor, mi querido amigo!, ya te habíamos echado en falta y no tenía claro si volvería a disfrutar con tus comentarios, pero he sido incapaz de acostumbrarme.
    ¡¡¡Qué suerte!!!

    “Siento que en mí palpitan todas las estrellas.
    El mundo corre por mi vida como un hermoso río.
    Las flores han pasado a través de mi sangre.
    Y toda la primavera de aguas y jazmines se eleva
    de mi corazón como un humo azul, y el aliento
    de todas las cosas canta como una flauta en mis sienes”

    Rabindranath Tagore

    Trillones de abrazos, tomás.

  7. r:

    Creo que tomas nos tenía muy preocupados. Extrañaba esos buenos comentarios. La próxima vez que te ausentes tanto porfavor avísanos. Bienvenido xD.

  8. NeoFronteras:

    Estimado Tomás:
    Se echaba ya en falta su presencia. Me alegra que siga por aquí y que se encuentre bien.

  9. NeoFronteras:

    Sobre lo que dice Dr. Thriller sólo podemos afirmar algo en ciencia si tenemos una teoría con experimentos que la corroboren. Hacer experimentos a alta presión no es trivial, incluso con celdas de diamante.
    Si se tienen nuevos resultados se cambia la teoría y ya está. Es lo bueno de la ciencia, que no es dogmática y siempre avanza pese a algunos científicos.

  10. tomás:

    Gracias mis queridos amigos. Se ve que me queréis tanto como yo a vosotros. Hasta Miguel Ángel, ha despertado versos impresos dormidos de Tagore y me ha hecho un ramillete de bienvenida. Vuestras palabras me han emocionado.
    Abrazos sin medida para todos.

  11. tomás:

    Querido amigo Neo:
    Totalmente de acuerdo, y es seguro que Dr. Thriler también lo está, pues comienza su tercer párrafo diciendo: “Si es así…”. Lo que pasa es que es un escéptico militante y da cierta impresión guerrera.
    Abrazos a ambos.

  12. Dr. Thriller:

    Sí, señor, escéptico militante. xD. Como dicen los salvavidas, prefiero equivocarme mil veces para nada que equivocarme por omisión el día que realmente sea necesario. Esto lo aprendí de la termodinámica, que viene siendo algo que en sabiduría popular es “el ser humano perdona a veces, los dioses siempre, y la naturaleza… nunca”. Frase que es de una lógica aplastante.

  13. tomás:

    Gracias, amigo “r”:
    Lo que pasa es que empiezas dejándolo un día porque has de atender otros asuntos y… continúas. Pero no es una decisión premeditada. No te preocupes, que si decido morirme, os voy a avisar. Pero no creo que suceda pronto porque es mucho lo que debo y no me gusta irme sin pagar de ningún sitio.
    Un gran abrazo.

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