jueves, 28 de julio de 2016

La habitabilidad de las exotierras alrededor de estrellas enanas rojas

Cuaderno de Cultura Científica: La habitabilidad de las exotierras alrededor de estrellas enanas rojas


Posted: 23 Oct 2015 03:00 AM PDT


Recreación artística de una exotierra alrededor de una enana roja con acoplamiento de marea. Solo la zona del terminador tendría temperaturas suaves (NASA).
Recreación artística de una exotierra alrededor de una enana roja con acoplamiento de marea. Solo la zona del terminador tendría temperaturas suaves (NASA).

La mayor parte de estrellas del Universo son enanas rojas con un tamaño muy pequeño. Por tanto es de suponer que un enorme porcentaje de los planetas habitables de la Galaxia, quizá la mayoría, estén situados alrededor de este tipo de astros. O, dicho de otro modo, puede que la mayor parte de exotierras se hallen en enanas rojas. Pero hay varios problemas con respecto a las condiciones de habitabilidad en este tipo de planetas. La más grave tiene que ver con el acoplamiento de marea (tidal locking). Y es que debido al pequeño tamaño de las enanas rojas, la zona habitable alrededor de estas estrellas está muy próxima a las mismas (recordemos que la zona habitable es aquella región que rodea a una estrella en la cual un planeta con atmósfera puede tener agua líquida en su superficie de forma estable).
Como resultado, los hipotéticos planetas habitables que puedan existir en estos sistemas siempre mostrarán el mismo hemisferio hacia su estrella por culpa de las fuerzas de marea, del mismo modo que siempre vemos la misma cara de la Luna desde la superficie terrestre. Como es fácil imaginar, el acoplamiento de marea genera extremos climáticos en estos mundos, con un hemisferio sumido permanentemente en la sombra y otro abrasado por la luz estelar. No obstante, los modelos numéricos sugieren que, a pesar de todo, la mayoría de estos mundos podrían ser habitables si disponen de una atmósfera lo suficientemente densa y, mejor aún, masas de agua líquida que ayuden a mitigar los extremos de temperatura. Ahora bien, eso no evitaría que la zona del hemisferio diurno situada justo bajo la estrella -el llamado punto subestelar- y el hemisferio nocturno sufriesen temperaturas extremas, aunque quizá no incompatibles con la vida. Las regiones situadas cerca del terminador -la frontera entre el día y la noche-, que en estos planetas es una frontera fija e inmóvil, serían las más aptas para la vida compleja. Por estos motivos, a los mundos habitables que puedan existir alrededor de enanas rojas se les conoce como ‘exotierras con forma de ojo’ (eyeball earths) por culpa de los patrones circulares formados por las distintas zonas climáticas.
Hasta el momento solo hemos hablado de la influencia del acoplamiento de marea en las zonas climáticas, pero hay otro efecto todavía más importante. Todo astro sometido a fuerzas de marea ve como su interior se deforma bajo efecto de las mismas, generando importantes cantidades de calor que debe disipar. Esta fuente de energía interna es la causante de la inusual actividad de algunos satélites del sistema solar como Ío, Europa o Encélado. Una exotierra alrededor de una enana roja con acoplamiento de marea ya no presentará esta fuente de energía interna, pero si que tuvo que sufrirla durante su juventud. Obviamente, estos planetas al nacer seguramente presentaron órbitas relativamente excéntricas y periodos de rotación de todo tipo. Con el tiempo, las fuerzas de marea se encargarían de circularizar la órbita y sincronizar el periodo de rotación con el de traslación, liberando ingentes cantidades de energía en el proceso. La cantidad precisa dependerá de la excentricidad de la órbita -será mayor cuanto más elíptica sea ésta- y de la composición y el tamaño del planeta (al calor liberado por las fuerzas de marea hay que añadir el generado por la desintegración de isótopos radiactivos).
Este calor puede afectar a la habitabilidad de estos mundos de varias formas. Si es muy intenso, caso de órbitas muy excéntricas, la exotierra podría pasar por una prolongada etapa con un océano superficial de magma, haciendo imposible la presencia de agua líquida o cualquier forma de vida (para excentricidades iniciales superiores a 0,1, la superficie de la exotierra podría alcanzar temperaturas del orden de 2000 K). En otros casos no tan extremos, el planeta experimentaría episodios de vulcanismo cien veces superior a los niveles que presenta la Tierra actualmente, con consecuencias casi igual de dramáticas de cara a su habitabilidad. Con el tiempo la temperatura de estos planetas descendería, y teniendo en cuenta que las enanas rojas son las estrellas con mayor esperanza de vida, podemos concluir que este incremento en la temperatura superficial de la joven exotierra no tiene por qué tener un impacto negativo en habitabilidad a muy largo plazo.
Sin embargo, otro aspecto a tener en cuenta es el campo magnético. El campo magnético protege la superficie de un mundo de las partículas cargadas provenientes de su estrella. En el caso de las exotierras alrededor de enanas rojas se trata de un tema especialmente importante por la cercanía de estos planetas a sus estrellas y por la tendencia de muchas enanas rojas a emitir fuertes fulguraciones potencialmente letales para las formas de vida. En general, el calentamiento de marea permite enfriar el núcleo planetario, lo que es beneficioso para la dinamo magnética del interior del mundo, aunque no en todos los casos. Eso sí, con el tiempo una exotierra perderá su dinamo al enfriarse progresivamente su interior, un proceso que tendrá lugar cuando el planeta supere los nueve mil millones de años de vida. Este periodo de tiempo es comparable a la vida de una estrella de tipo solar, así que la pérdida de la dinamo geomagnética no es importante en mundos como la Tierra, pero recordemos que las enanas rojas pueden durar muchísimo más, así que estamos ante un problema grave de cara a mantener la habitabilidad de estos planetas a muy largo plazo.


Relación entre la masa de una estrella y la distancia de su zona habitable. Para estrellas por debajo de 0,3 masas solares el calentamiento de marea podría volver inhabitable la zona habitable (Driscoll et al.).
Relación entre la masa de una estrella y la distancia de su zona habitable. Para estrellas por debajo de 0,3 masas solares el calentamiento de marea podría volver inhabitable la zona habitable (Driscoll et al.).

Puesto que los efectos del calentamiento de marea dependen de la proximidad de la zona habitable a la estrella y este parámetro depende a su vez de la masa estelar, los cálculos demuestran que para estrellas con una masa superior a 0,3-0,45 veces la solar el calentamiento de marea sufrido por una exotierra es despreciable. No obstante, por debajo de este valor la exotierra sufrirá un fuerte aumento de su actividad interna que bien podría ser incompatible con la vida. Las malas noticias son que la mayoría de enanas rojas tienen una masa inferior a 0,5 veces la del Sol -por encima de ese límite son estrellas de tipo K-, así que solo una minoría de exotierras alrededor de enanas rojas se librarían de un calentamiento de marea excesivo.
Como vemos, la habitabilidad alrededor de estrellas enanas rojas es un fenómeno mucho más complejo de lo esperado, pero necesitamos desentrañar sus secretos si queremos entender cómo son la mayoría de planetas potencialmente habitables de nuestra Galaxia.

Este post ha sido realizado por Daniel Marín (@Eurekablog) y es una colaboración de Naukas con la Cátedra de Cultura Científica de la UPV/EHU.

Referencias:
Driscoll, P. E. y Barnes, R, Tidal heating of Earth-like exoplanets around M stars: Thermal, magnetic, and orbital evolutions, ” Astrobiology Vol. 15, 9 (22 septiembre 2015)
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