Algunas lunas de planetas lejanos podrían ser habitables, pero para serlo las condiciones que deben cumplir son complejas.
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Un planeta gigante gaseoso con anillos y su luna, bañados en la luz carmesí de una estrella enana roja.
© NASA/ESA/G.Bacon (STScl)
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La astrobiología es la ciencia que explora la vida en el universo, más allá de la Tierra. Pero como hasta ahora no la hemos descubierto, lo único que podemos hacer es buscar lugares donde la misma pueda haberse creado y/o desarrollado. Para eso creamos parámetros que pensamos podrían facilitar su existencia, aunque el único modelo que tengamos sea el de nuestro planeta. Es imaginación, sí, pero una imaginación dirigida, algo que podríamos llamar presunción educada.
En ese sentido, ya hemos visto en este blog algunos de esos parámetros posibles (aquí, aquí, aquí, y aquí) y cómo la inclusión de las exo-lunas (es decir, las lunas que giran alrededor de los exo-planetas) ha ampliado notablemente el número de lugares donde buscar la vida.
De esa forma, el descubrimiento de lunas extra-solares abriría todo un nuevo capítulo en la exploración astrobiológica. Claro que no todas las exo-lunas podrían ofrecer posibilidades para la vida tal como la conocemos, de modo que los investigadores han comenzado a estudiar los factores únicos y no-terrestres que podrían afectar su habitabilidad.
Para comenzar, pensemos que estos objetos girarían alrededor de un cuerpo planetario más grande, lo que añade un nuevo conjunto de problemas más allá del que presentan los exo-planetas en sí, como por ejemplo los eclipses provocados por su planeta primario, así como el reflejo de la luz solar en ellos y las emisiones termales. Principalmente, el calentamiento por mareas inducido gravitatoriamente por el planeta madre podría afectar notablemente la geología y el clima de la exo-luna.
En ese sentido, ya hemos visto en este blog algunos de esos parámetros posibles (aquí, aquí, aquí, y aquí) y cómo la inclusión de las exo-lunas (es decir, las lunas que giran alrededor de los exo-planetas) ha ampliado notablemente el número de lugares donde buscar la vida.
De esa forma, el descubrimiento de lunas extra-solares abriría todo un nuevo capítulo en la exploración astrobiológica. Claro que no todas las exo-lunas podrían ofrecer posibilidades para la vida tal como la conocemos, de modo que los investigadores han comenzado a estudiar los factores únicos y no-terrestres que podrían afectar su habitabilidad.
Para comenzar, pensemos que estos objetos girarían alrededor de un cuerpo planetario más grande, lo que añade un nuevo conjunto de problemas más allá del que presentan los exo-planetas en sí, como por ejemplo los eclipses provocados por su planeta primario, así como el reflejo de la luz solar en ellos y las emisiones termales. Principalmente, el calentamiento por mareas inducido gravitatoriamente por el planeta madre podría afectar notablemente la geología y el clima de la exo-luna.
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Ejemplo de zona habitable circumestelar: la banda orbital alrededor de una estrella donde el agua puede existir en estado líquido en la superficie de un planeta o de una exo-luna.
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© NASA/JPL-Caltech
Básicamente, entonces, podríamos decir que estos objetos tienen fuentes adicionales de energía (más allá de la radiación directa que puedan recibir de su estrella central) que podrían alterar su balance energético el cual, si fuera demasiado alto, podría convertir nuestro paraíso potencial en un desierto calcinante.
El borde habitable
En una serie de estudios publicados por René Heller del Instituto de Astrofísica Leibnitz en Postdam, Alemania, y su colega Rory Barnes de la Universidad de Washington y del Instituto de Astrobiología de la NASA, estudiaron algunos de los problemas que para su habitabilidad generan la relación entre las exo-lunas y sus planetas anfitriones.
Estos científicos han propuesto un “borde habitable” circumplanetario similar a la ya conocida “zona habitable” circumestelar (es decir, la banda de temperaturas alrededor de una estrella en la que el agua ni hierve ni se congela totalmente sobre la superficie de un planeta; ni demasiado caliente ni demasiado fría, lo que le ganó su sobrenombre de “zona Ricitos de Oro”).
Sin embargo, el borde habitable es algo diferente. Podríamos definirlo como la órbita circumplanetaria en la cual la exo-luna no sufrirá un “efecto invernadero disparado”. Así, para ser habitable, las exo-lunas deben orbitar su planeta más allá de su borde habitable.
El efecto invernadero disparado ocurre cuando el clima de un planeta o de una luna se calienta inexorablemente debido a retroalimentaciones positivas.
Algunos científicos piensan que algo parecido pudo suceder a nuestro vecino Venus. Es posible que allí un Sol joven en proceso de calentamiento pudo haber evaporado un océano primordial. Este proceso puso más vapor de agua en la atmósfera, atrapando más calor, lo que llevó a más evaporación hasta que el planeta se desecó cuando la radiación ultravioleta del Sol disoció el hidrógeno y el oxígeno del agua. El hidrógeno escapó al espacio y sin él, no se pudo formar más agua.
Por lo tanto, las posibles exo-lunas habitables deberían encontrarse más allá del borde habitable para que no se produzca esta desecación.
En un sistema solar típico, la radiación proveniente de la estrella central es por mucho la mayor fuente de energía para una luna. Con órbitas amplias, estas lunas estarían afectadas únicamente por la radiación de su sol. Pero si la órbita de un satélite fuera muy cercana a la de su planeta, entonces pasarían a ser muy importantes la reflexión estelar en el planeta, su propia emisión termal, los eclipses y el calentamiento por efecto de marea.
Estos científicos han propuesto un “borde habitable” circumplanetario similar a la ya conocida “zona habitable” circumestelar (es decir, la banda de temperaturas alrededor de una estrella en la que el agua ni hierve ni se congela totalmente sobre la superficie de un planeta; ni demasiado caliente ni demasiado fría, lo que le ganó su sobrenombre de “zona Ricitos de Oro”).
Sin embargo, el borde habitable es algo diferente. Podríamos definirlo como la órbita circumplanetaria en la cual la exo-luna no sufrirá un “efecto invernadero disparado”. Así, para ser habitable, las exo-lunas deben orbitar su planeta más allá de su borde habitable.
El efecto invernadero disparado ocurre cuando el clima de un planeta o de una luna se calienta inexorablemente debido a retroalimentaciones positivas.
Algunos científicos piensan que algo parecido pudo suceder a nuestro vecino Venus. Es posible que allí un Sol joven en proceso de calentamiento pudo haber evaporado un océano primordial. Este proceso puso más vapor de agua en la atmósfera, atrapando más calor, lo que llevó a más evaporación hasta que el planeta se desecó cuando la radiación ultravioleta del Sol disoció el hidrógeno y el oxígeno del agua. El hidrógeno escapó al espacio y sin él, no se pudo formar más agua.
Por lo tanto, las posibles exo-lunas habitables deberían encontrarse más allá del borde habitable para que no se produzca esta desecación.
En un sistema solar típico, la radiación proveniente de la estrella central es por mucho la mayor fuente de energía para una luna. Con órbitas amplias, estas lunas estarían afectadas únicamente por la radiación de su sol. Pero si la órbita de un satélite fuera muy cercana a la de su planeta, entonces pasarían a ser muy importantes la reflexión estelar en el planeta, su propia emisión termal, los eclipses y el calentamiento por efecto de marea.
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Aquí vemos los diferentes tipos de radiación que una exo-luna puede recibir tanto de su estrella como de su planeta anfitrión durante las cuatro fases de un período orbital. Las imágenes no están a escala y las penumbras (sombras parciales) son ignoradas para facilitar el concepto.
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© Heller & Barnes
La acción acumulada de los efectos de calentamiento (exceptuando al de marea) es pequeña, pero podría marcar la diferencia entre una exo-luna que esté dentro del borde habitable y otra que esté fuera de él.
Asoléandose en el resplandor
Aquí en la Tierra obtenemos un poquitín de energía extra desde la Luna a través del reflejo de la luz solar (el “claro de luna”). Las lunas, sin embargo, reciben muchísima más luz de sus vecinos planetarios. El “claro de Tierra” que nuestro planeta arroja sobre la Luna es cincuenta veces mayor que el que nosotros recibimos de ella. Por ejemplo, los astronautas que visitaron nuestro satélite podían examinar los instrumentos más delicados bajo esta luz “terrestre”.
Además de esta luz solar reflejada, los planetas también emiten sobre sus lunas radiación termal (calor) generada por la absorción de la energía solar en ellos.
Este “claro planetario” puede agregar una cantidad apreciable a la entrada total de la exo-luna. Imaginemos un planeta gigante orbitando alrededor de una estrella como el Sol y a la misma distancia de él que la Tierra. Para una luna con una órbita relativamente cercana al planeta, como por ejemplo la de Io alrededor de Júpiter, los científicos calculan que podría absorber hasta 7 watts de energía por metro cuadrado. La Tierra absorbe unos 240 watts por metro cuadrado desde el Sol, de modo que el incremento de ~3% sería pequeño pero para nada despreciable.
Además de esta luz solar reflejada, los planetas también emiten sobre sus lunas radiación termal (calor) generada por la absorción de la energía solar en ellos.
Este “claro planetario” puede agregar una cantidad apreciable a la entrada total de la exo-luna. Imaginemos un planeta gigante orbitando alrededor de una estrella como el Sol y a la misma distancia de él que la Tierra. Para una luna con una órbita relativamente cercana al planeta, como por ejemplo la de Io alrededor de Júpiter, los científicos calculan que podría absorber hasta 7 watts de energía por metro cuadrado. La Tierra absorbe unos 240 watts por metro cuadrado desde el Sol, de modo que el incremento de ~3% sería pequeño pero para nada despreciable.
Oscurecimientos periódicos
A la vez, los eclipses podrían contrarrestar esa energía extra planetaria. En ese caso, Heller calcula que la pérdida de energía solar en el caso de una luna de órbita cercana podría llegar a ser de hasta un 6,4%.
También debe tenerse en cuenta que como la mayoría de las lunas está anclada por mareas a su planeta (es decir que un lado de la luna está continuamente enfrentándolo, como sucede con nuestra Luna con su “cara visible”, mientras que su “cara oculta” jamás está al alcance de nuestra vista) los eclipses, así como la luz planetaria, iluminarían y oscurecerían únicamente un hemisferio. Este fenómeno podría modificar el clima, así como el comportamiento de las posibles formas de vida, en modos no concebibles en nuestro mundo.
En opinión de Heller, “la iluminación asimétrica podría inducir patrones de vientos y temperaturas, tanto en términos de geografía como de tiempo, que son desconocidos en los climas planetarios. La vida en una luna con eclipses frecuentes y regulares debería necesariamente adaptar sus ritmos de vigilia-sueño y de caza-ocultamiento, pero únicamente en las criaturas que habitaran el hemisferio que enfrentara al planeta”.
De todos modos, esto significa otra valla para la habitabilidad. Cuanto más cerca esté un planeta de su estrella, mayor será el tirón gravitatorio sobre las lunas del planeta. Este tirón extra puede enviar a las lunas hacia órbitas excéntricas (no circulares). A la vez, estas órbitas excéntricas ejercerían tensiones gravitatorias variables sobre las lunas a medida que estas se trasladan por sus órbitas.
Estas “fuerzas de marea”, como se las llama, causan calor debido a la fricción. Las mareas oceánicas que experimentamos en la Tierra ocurren parcialmente como resultado de la gravedad lunar que “tira” más del agua que de la tierra firme que está a su lado, lo que distorsiona la forma de la Tierra. Por supuesto, este efecto funciona en ambos lados pero no en la misma medida, por lo que los planetas inducen un calentamiento por marea mayor sobre sus lunas más pequeñas.
Si la órbita de una exo-luna la acerca demasiado a su planeta, el calentamiento por marea podría hacer que balance energético sea demasiado alto, culminando en un efecto invernadero disparado. En casos extremos, el calentamiento por marea podría desencadenar una actividad volcánica masiva, dejando al satélite cubierto de magma y definitivamente inhóspito, tal como Io, la luna de Júpiter.
Por otro lado, debiera destacarse que el calentamiento por marea podría ser ayuda para la vida. Por ejemplo, podría sostener un océano sub-superficial, como el que se sospecha que existe en Europa,, la luna de Saturno, convirtiendo así lo que sería una inamistosa luna ubicada fuera de la zona habitable tradicional en un lugar potencialmente “vivible”.
También debe tenerse en cuenta que como la mayoría de las lunas está anclada por mareas a su planeta (es decir que un lado de la luna está continuamente enfrentándolo, como sucede con nuestra Luna con su “cara visible”, mientras que su “cara oculta” jamás está al alcance de nuestra vista) los eclipses, así como la luz planetaria, iluminarían y oscurecerían únicamente un hemisferio. Este fenómeno podría modificar el clima, así como el comportamiento de las posibles formas de vida, en modos no concebibles en nuestro mundo.
En opinión de Heller, “la iluminación asimétrica podría inducir patrones de vientos y temperaturas, tanto en términos de geografía como de tiempo, que son desconocidos en los climas planetarios. La vida en una luna con eclipses frecuentes y regulares debería necesariamente adaptar sus ritmos de vigilia-sueño y de caza-ocultamiento, pero únicamente en las criaturas que habitaran el hemisferio que enfrentara al planeta”.
El balanceo de las mareas
Aunque la pérdida relacionada con los eclipses de varios puntos porcentuales de energía no es algo enorme en realidad, una pareja luna-planeta debería estar más cerca de su estrella para compensar este déficit, aunque manteniéndose todavía en una posición habitable desde la perspectiva de una zona Ricitos de Oro.
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Selección de lunas de nuestro sistema solar. Otras lunas mucho mayores podrían existir orbitando alrededor de algunos exo-planetas.
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© NASA
De todos modos, esto significa otra valla para la habitabilidad. Cuanto más cerca esté un planeta de su estrella, mayor será el tirón gravitatorio sobre las lunas del planeta. Este tirón extra puede enviar a las lunas hacia órbitas excéntricas (no circulares). A la vez, estas órbitas excéntricas ejercerían tensiones gravitatorias variables sobre las lunas a medida que estas se trasladan por sus órbitas.
Estas “fuerzas de marea”, como se las llama, causan calor debido a la fricción. Las mareas oceánicas que experimentamos en la Tierra ocurren parcialmente como resultado de la gravedad lunar que “tira” más del agua que de la tierra firme que está a su lado, lo que distorsiona la forma de la Tierra. Por supuesto, este efecto funciona en ambos lados pero no en la misma medida, por lo que los planetas inducen un calentamiento por marea mayor sobre sus lunas más pequeñas.
Si la órbita de una exo-luna la acerca demasiado a su planeta, el calentamiento por marea podría hacer que balance energético sea demasiado alto, culminando en un efecto invernadero disparado. En casos extremos, el calentamiento por marea podría desencadenar una actividad volcánica masiva, dejando al satélite cubierto de magma y definitivamente inhóspito, tal como Io, la luna de Júpiter.
Por otro lado, debiera destacarse que el calentamiento por marea podría ser ayuda para la vida. Por ejemplo, podría sostener un océano sub-superficial, como el que se sospecha que existe en Europa,, la luna de Saturno, convirtiendo así lo que sería una inamistosa luna ubicada fuera de la zona habitable tradicional en un lugar potencialmente “vivible”.
Estrellas pequeñas, lunas muertas
Otro factor entra en juego cuando los eclipses roban un poco de energía a la exo-luna, lo que requiere que el par luna-planeta esté más cerca de su estrella.
Para mantenerse gravitatoriamente unida al planeta y no ser arrancada por la gravedad de la estrella, la luna debe mantenerse dentro del llamado “radio de Hill”, la esfera de dominio gravitatorio del planeta. Este radio disminuye con la mayor proximidad a la estrella. Cuanto más cerca estén el planeta y su luna de su sol, menos espacio estará disponible fuera del borde habitable.
En el caso de los planetas y sus lunas que orbitan estrellas oscuras, frías y de poca masa (las así llamadas “enanas rojas”), esta dinámica se vuelve importante. La zona habitable que rodea a las enanas rojas es muy angosta. Por ejemplo, para una estrella que tenga un cuarto de la masa del Sol, la zona “Ricitos de Oro” se encuentra alrededor de un 13% de la distancia Tierra-Sol; en otras palabras, un tercio de la distancia orbital de Mercurio al Sol.
En un sistema planetario de una enana roja, no solamente la luna estará más cerca de su zona planetaria habitable, sino que dada la necesaria proximidad del planeta con su estrella, la órbita de la luna tenderá a ser excéntrica. Estas cualidades aumentan las probabilidades de que la luna caiga dentro del borde habitable.
Por eso, Heller calculó que en el caso de muchas enanas rojas, la probabilidad de que alberguen lunas habitables es por lo tanto escasa.
“Hay una masa estelar crítica por debajo de la cual no puede existir ninguna luna habitable”, dice. “Alrededor de las estrellas de poca masa, de alrededor de un 20% de la masa del Sol, una luna deberá estar tan cerca de la zona habitable de su planeta que para permanecer unida gravitatoriamente a él estará sujeta a un intenso calentamiento por marea, y no podrá ser habitable, en ninguna circunstancia”.
Para mantenerse gravitatoriamente unida al planeta y no ser arrancada por la gravedad de la estrella, la luna debe mantenerse dentro del llamado “radio de Hill”, la esfera de dominio gravitatorio del planeta. Este radio disminuye con la mayor proximidad a la estrella. Cuanto más cerca estén el planeta y su luna de su sol, menos espacio estará disponible fuera del borde habitable.
En el caso de los planetas y sus lunas que orbitan estrellas oscuras, frías y de poca masa (las así llamadas “enanas rojas”), esta dinámica se vuelve importante. La zona habitable que rodea a las enanas rojas es muy angosta. Por ejemplo, para una estrella que tenga un cuarto de la masa del Sol, la zona “Ricitos de Oro” se encuentra alrededor de un 13% de la distancia Tierra-Sol; en otras palabras, un tercio de la distancia orbital de Mercurio al Sol.
En un sistema planetario de una enana roja, no solamente la luna estará más cerca de su zona planetaria habitable, sino que dada la necesaria proximidad del planeta con su estrella, la órbita de la luna tenderá a ser excéntrica. Estas cualidades aumentan las probabilidades de que la luna caiga dentro del borde habitable.
Por eso, Heller calculó que en el caso de muchas enanas rojas, la probabilidad de que alberguen lunas habitables es por lo tanto escasa.
“Hay una masa estelar crítica por debajo de la cual no puede existir ninguna luna habitable”, dice. “Alrededor de las estrellas de poca masa, de alrededor de un 20% de la masa del Sol, una luna deberá estar tan cerca de la zona habitable de su planeta que para permanecer unida gravitatoriamente a él estará sujeta a un intenso calentamiento por marea, y no podrá ser habitable, en ninguna circunstancia”.
Un poco aquí, un poco allá
Por supuesto, hay muchos factores, más allá de las consideraciones sobre el borde habitable, que en último caso determinan la habitabilidad de una exo-luna.
Fuentes utilizadas:
- The 'Habitable Edge' of Exomoons
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Telescopio espacial Kepler,
el “cazador de planetas”.
© NASA
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Para ser considerada como ampliamente habitable para criaturas que no sean, digamos, bacterias sub-superficiales, una exo-luna debe mostrar algunos de los criterios básicos de habitabilidad para un exo-planeta tipo Tierra: tiene que tener agua superficial líquida, una atmósfera sustancial de larga duración, y un campo magnético que sirva de protección para la radiación solar (y, en el caso de las exo-lunas alrededor de planetas gigantes como Júpiter, para las partículas cargadas creadas en la magnetósfera del planeta).
Para poseer estas cualidades, que según los científicos son más probables al aumentar la masa, una exo-luna habitable será probablemente bastante grande comparada con las de nuestro sistema solar, más bien en el orden del tamaño de la propia Tierra.
La luna más grande de nuestro sistema, la joviana Ganímedes, tiene apenas un 2,5% de la masa de la Tierra. Sin embargo, estudios previos han sugerido que las lunas monstruosas (según los estándares solares) son realmente posibles.
Se espera que la misión Kepler sea capaz de detectar exo-lunas que tengan hasta un 20% de la masa de la Tierra. Los datos, que consisten en la medición de pequeñas disminuciones en la cantidad de luz estelar cuando sus planetas (o lunas) la bloquean desde nuestro punto de visión, deberían revelar tanto la masa de la luna como sus parámetros orbitales.
Armados con esta información, y ahora con las nuevas consideraciones del borde habitable, los astrónomos pueden así esperar hacer algunas especulaciones sobre la posibilidad de que alguna exo-luna que pueda encontrarse pronto sea propicia para sostener seres vivos.
Heller tiene la esperanza de que habrá una lista de exo-lunas listas para ser observadas por la próxima generación de instrumentos, tales como el Telescopio Espacial James Webb y los telescopios de tierra de la clase de treinta metros. Estos observatorios, que estarán disponibles en la próxima década, podrán ser capaces de escudriñar las atmósferas de las exo-lunas y de ofrecer evidencias asombrosas de vida.
“Las primeras exo-lunas que encontremos tendrán que ser grandes, incluso del tamaño de Marte o de la Tierra, y por lo tanto intrínsecamente más probables de ser habitables que las lunas pequeñas”, dijo Heller. “Con Kepler descubriendo muchos más planetas gigantes que planetas terrestres en las zonas habitables estelares, es realmente importante intentar imaginar cuáles deberían ser las condiciones en las exo-lunas de esos gigantes para calcular si pueden albergar vida extraterrestre”.
Para poseer estas cualidades, que según los científicos son más probables al aumentar la masa, una exo-luna habitable será probablemente bastante grande comparada con las de nuestro sistema solar, más bien en el orden del tamaño de la propia Tierra.
La luna más grande de nuestro sistema, la joviana Ganímedes, tiene apenas un 2,5% de la masa de la Tierra. Sin embargo, estudios previos han sugerido que las lunas monstruosas (según los estándares solares) son realmente posibles.
Se espera que la misión Kepler sea capaz de detectar exo-lunas que tengan hasta un 20% de la masa de la Tierra. Los datos, que consisten en la medición de pequeñas disminuciones en la cantidad de luz estelar cuando sus planetas (o lunas) la bloquean desde nuestro punto de visión, deberían revelar tanto la masa de la luna como sus parámetros orbitales.
Armados con esta información, y ahora con las nuevas consideraciones del borde habitable, los astrónomos pueden así esperar hacer algunas especulaciones sobre la posibilidad de que alguna exo-luna que pueda encontrarse pronto sea propicia para sostener seres vivos.
Heller tiene la esperanza de que habrá una lista de exo-lunas listas para ser observadas por la próxima generación de instrumentos, tales como el Telescopio Espacial James Webb y los telescopios de tierra de la clase de treinta metros. Estos observatorios, que estarán disponibles en la próxima década, podrán ser capaces de escudriñar las atmósferas de las exo-lunas y de ofrecer evidencias asombrosas de vida.
“Las primeras exo-lunas que encontremos tendrán que ser grandes, incluso del tamaño de Marte o de la Tierra, y por lo tanto intrínsecamente más probables de ser habitables que las lunas pequeñas”, dijo Heller. “Con Kepler descubriendo muchos más planetas gigantes que planetas terrestres en las zonas habitables estelares, es realmente importante intentar imaginar cuáles deberían ser las condiciones en las exo-lunas de esos gigantes para calcular si pueden albergar vida extraterrestre”.
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Fuentes utilizadas:
- The 'Habitable Edge' of Exomoons
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