La posibilidad de vida en planetas acuáticos

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Última modificación: 2023-12-16 16:02

La mayoría de los planetas que conocemos tienen una masa mayor que la Tierra, pero menos que Saturno. Muy a menudo, entre ellos hay "mini-neptunes" y "super-tierras", objetos un par de veces más masivos que nuestro planeta. Los descubrimientos de los últimos años dan cada vez más motivos para creer que las super-Tierras son planetas cuya composición es muy diferente a la nuestra. Además, resultó que los planetas terrestres en otros sistemas probablemente difieran de la Tierra en elementos y compuestos de luz mucho más ricos, incluida el agua. Y esa es una buena razón para preguntarse qué tan aptos son para la vida.

Las diferencias antes mencionadas entre la ex-Tierra y la Tierra se explican por el hecho de que tres cuartas partes de todas las estrellas del Universo son enanas rojas, luminarias mucho menos masivas que el Sol. Las observaciones muestran que los planetas que los rodean a menudo se encuentran en la zona habitable, es decir, donde reciben aproximadamente la misma energía de su estrella que la Tierra del Sol. Además, a menudo hay muchísimos planetas en la zona habitable de las enanas rojas: en el "cinturón Ricitos de Oro" de la estrella TRAPPIST-1, por ejemplo, hay tres planetas a la vez.

Y esto es muy extraño. La zona habitable de las enanas rojas se encuentra a millones de kilómetros de la estrella, y no a 150-225 millones, como en el sistema solar. Mientras tanto, varios planetas a la vez no pueden formarse en millones de kilómetros de su estrella; el tamaño de su disco protoplanetario no lo permitirá. Sí, una enana roja la tiene menos que una amarilla, como nuestro Sol, pero ni cien ni cincuenta veces.

La situación se complica aún más por el hecho de que los astrónomos han aprendido a "pesar" planetas en estrellas distantes con mayor o menor precisión. Y luego resultó que si relacionamos su masa y tamaño, resulta que la densidad de tales planetas es dos o incluso tres veces menor que la de la Tierra. Y esto es, en principio, imposible si estos planetas se formaran a millones de kilómetros de su estrella. Porque con una disposición tan cercana, la radiación de la luminaria debería empujar literalmente la mayor parte de los elementos de luz hacia afuera.

Esto es exactamente lo que sucedió en el sistema solar, por ejemplo. Echemos un vistazo a la Tierra: se formó en la zona habitable, pero el agua en su masa no es más de una milésima. Si la densidad de varios mundos en enanas rojas es dos o tres veces menor, entonces el agua allí no es menos del 10 por ciento, o incluso más. Es decir, cien veces más que en la Tierra. En consecuencia, se formaron fuera de la zona habitable y solo luego migraron allí. Es fácil para la radiación estelar privar a los elementos luminosos de las zonas del disco protoplanetario cercanas a la luminaria. Pero es mucho más difícil privar a un planeta confeccionado que ha migrado desde la parte distante del disco protoplanetario de elementos ligeros: las capas inferiores están protegidas por las superiores. Y la pérdida de agua es inevitablemente bastante lenta. Una supertierra típica en la zona habitable no podrá perder ni la mitad de su agua, y durante toda la existencia, por ejemplo, del sistema solar.

Entonces, las estrellas más masivas del Universo a menudo tienen planetas en los que hay mucha agua. Lo más probable es que esto signifique que hay muchos más planetas de este tipo que la Tierra. Por lo tanto, sería bueno averiguar si en tales lugares existe la posibilidad de que surja y se desarrolle una vida compleja.

Necesita más minerales

Y aquí es donde comienzan los grandes problemas. No hay análogos cercanos de super-Tierras con una gran cantidad de agua en el sistema solar, y en ausencia de ejemplos disponibles para observación, los científicos planetarios literalmente no tienen nada con qué partir. Tenemos que mirar el diagrama de fases del agua y averiguar qué parámetros serán para las diferentes capas de los planetas oceánicos.

Diagrama de fases del estado del agua. Las modificaciones de hielo se indican con números romanos. Casi todo el hielo de la Tierra pertenece al grupo I_h, y una fracción muy pequeña (en la atmósfera superior) - a I_C… Imagen: AdmiralHood / wikimedia commons / CC BY-SA 3.0

Resulta que si hay 540 veces más agua en un planeta del tamaño de la Tierra que aquí, entonces estará completamente cubierto por un océano de más de cien kilómetros de profundidad. En el fondo de tales océanos, la presión será tan grande que comenzará a formarse hielo de tal fase, que permanece sólido incluso a temperaturas muy altas, ya que el agua se mantiene sólida por la enorme presión.

Si el fondo del océano planetario está cubierto con una gruesa capa de hielo, el agua líquida se verá privada de contacto con rocas de silicato sólido. Sin ese contacto, los minerales que contiene no tendrán de dónde proceder. Peor aún, se interrumpirá el ciclo del carbono.

Empecemos por los minerales. Sin fósforo, la vida, en las formas que conocemos, no puede existir, porque sin él no hay nucleótidos y, en consecuencia, no hay ADN. Será difícil sin calcio; por ejemplo, nuestros huesos están compuestos de hidroxiapatita, que no puede prescindir de fósforo y calcio. A veces surgen problemas con la disponibilidad de ciertos elementos en la Tierra. Por ejemplo, en Australia y América del Norte en varias localidades hubo una ausencia anormalmente prolongada de actividad volcánica y en los suelos de algunos lugares hay una grave falta de selenio (es parte de uno de los aminoácidos, necesarios para la vida).. Debido a esto, las vacas, ovejas y cabras tienen deficiencia de selenio y, a veces, esto conduce a la muerte del ganado (la adición de selenito a la alimentación del ganado en los Estados Unidos y Canadá incluso está regulada por ley).

Algunos investigadores sugieren que el mero factor de la disponibilidad de minerales debería convertir los océanos-planetas en verdaderos desiertos biológicos, donde la vida, si la hay, es extremadamente rara. Y simplemente no estamos hablando de formas realmente complejas.

Acondicionador de aire roto

Además de las deficiencias minerales, los teóricos han descubierto un segundo problema potencial de los planetas-océanos, quizás incluso más importante que el primero. Estamos hablando de disfunciones en el ciclo del carbono. En nuestro planeta, él es la principal razón de la existencia de un clima relativamente estable. El principio del ciclo del carbono es simple: cuando el planeta se enfría demasiado, la absorción de dióxido de carbono por las rocas se ralentiza drásticamente (el proceso de tal absorción avanza rápidamente solo en un ambiente cálido). Al mismo tiempo, los "suministros" de dióxido de carbono con las erupciones volcánicas van al mismo ritmo. Cuando la unión del gas disminuye y el suministro no disminuye, la concentración de CO₂ aumenta naturalmente. Los planetas, como saben, están en el vacío del espacio interplanetario, y la única forma significativa de pérdida de calor para ellos es su radiación en forma de ondas infrarrojas. El dióxido de carbono absorbe dicha radiación de la superficie del planeta, razón por la cual la atmósfera se calienta ligeramente. Esto evapora el vapor de agua de la superficie del agua de los océanos, que también absorbe la radiación infrarroja (otro gas de efecto invernadero). Como resultado, es el CO₂ el que actúa como el principal iniciador en el proceso de calentamiento del planeta.

Es este mecanismo el que lleva al hecho de que los glaciares en la Tierra terminan tarde o temprano. Tampoco permite que se sobrecaliente: a temperaturas excesivamente altas, el dióxido de carbono se une más rápidamente a las rocas, después de lo cual, debido a la tectónica de las placas de la corteza terrestre, se hunden gradualmente en el manto. Nivel de CO₂cae y el clima se vuelve más fresco.

Difícilmente se puede subestimar la importancia de este mecanismo para nuestro planeta. Imagine por un segundo una avería de un acondicionador de aire de carbono: digamos, los volcanes han dejado de entrar en erupción y ya no liberan dióxido de carbono de las entrañas de la Tierra, que una vez descendió allí con viejas placas continentales. La primera glaciación se volverá literalmente eterna, porque cuanto más hielo hay en el planeta, más radiación solar se refleja en el espacio. Y una nueva porción de CO₂ no podrá descongelar el planeta: no tendrá de dónde venir.

Así es exactamente como, en teoría, debería ser en los planetas-océanos. Incluso si la actividad volcánica a veces puede romper la capa de hielo exótico en el fondo del océano planetario, no tiene nada de bueno. De hecho, en la superficie del mundo marino, simplemente no hay rocas que puedan unir el exceso de dióxido de carbono. Es decir, puede comenzar su acumulación incontrolada y, en consecuencia, el sobrecalentamiento del planeta.

Algo similar, cierto, sin ningún océano planetario, sucedió en Venus. Tampoco hay placas tectónicas en este planeta, aunque no se sabe realmente por qué sucedió. Por lo tanto, las erupciones volcánicas allí, que a veces atraviesan la corteza, arrojan mucho dióxido de carbono a la atmósfera, pero la superficie no puede unirlo: las placas continentales no se hunden y no se levantan nuevas. Por tanto, la superficie de las losas existentes ya ha unido todo el CO₂, que podría y no puede absorber más, y hace tanto calor en Venus que el plomo siempre permanecerá líquido allí. Y esto a pesar de que, según el modelo, con la atmósfera terrestre y el ciclo del carbono, este planeta sería un gemelo habitable de la Tierra.

¿Hay vida sin aire acondicionado?

Los críticos del "chovinismo terrestre" (la posición de que la vida solo es posible en "copias de la Tierra", planetas con condiciones estrictamente terrestres) inmediatamente se preguntaron: ¿por qué, de hecho, todo el mundo decidió que los minerales no podrían atravesar un capa de hielo exótico? Cuanto más fuerte e impenetrable es la tapa sobre algo caliente, más energía se acumula debajo de ella, que tiende a romperse. Aquí está el mismo Venus: la tectónica de placas no parece existir, y el dióxido de carbono escapó de las profundidades en cantidades tales que no hay vida en él en el sentido literal de la palabra. En consecuencia, lo mismo es posible con la remoción de minerales hacia arriba: las rocas sólidas durante las erupciones volcánicas caen completamente hacia arriba.

Aun así, queda otro problema: el "aire acondicionado roto" del ciclo del carbono. ¿Puede un planeta oceánico ser habitable sin él?

Hay muchos cuerpos en el sistema solar en los que el dióxido de carbono no desempeña en absoluto el papel de principal regulador del clima. Aquí está, digamos, Titán, una gran luna de Saturno.

Titanio. Foto: NASA / JPL-Caltech / Stéphane Le Mouélic, Universidad de Nantes, Virginia Pasek, Universidad de Arizona

El cuerpo es insignificante en comparación con la masa de la Tierra. Sin embargo, se formó lejos del Sol y la radiación de la luminaria no "evaporó" los elementos ligeros, incluido el nitrógeno. Esto le da a Titán una atmósfera de nitrógeno casi puro, el mismo gas que domina nuestro planeta. Pero la densidad de su atmósfera de nitrógeno es cuatro veces mayor que la nuestra; con la gravedad, es siete veces más débil.

A primera vista del clima de Titán, hay una sensación constante de que es extremadamente estable, aunque no hay aire acondicionado de "carbono" en su forma directa. Baste decir que la diferencia de temperatura entre el polo y el ecuador de Titán es de solo tres grados. Si la situación fuera la misma en la Tierra, el planeta estaría mucho más poblado y, en general, sería más adecuado para la vida.

Además, los cálculos de varios grupos científicos han demostrado: con una densidad de la atmósfera cinco veces mayor que la de la Tierra, es decir, una cuarta parte más alta que en Titán, incluso el efecto invernadero del nitrógeno solo es suficiente para que bajen las fluctuaciones de temperatura. a casi cero. En un planeta así, de día y de noche, tanto en el ecuador como en el polo, la temperatura siempre sería la misma. La vida terrenal solo puede soñar con tal cosa.

Los planetas-océanos en términos de su densidad están justo al nivel de Titán (1, 88 g / cm ³), y no la Tierra (5, 51 g / cm ³). Digamos que tres planetas en la zona habitable de TRAPPIST-1 a 40 años luz de nosotros tienen una densidad de 1,71 a 2,18 g / cm³. En otras palabras, lo más probable es que dichos planetas tengan una densidad de atmósfera de nitrógeno más que suficiente para tener un clima estable debido únicamente al nitrógeno. El dióxido de carbono no puede convertirlos en Venus al rojo vivo, porque una masa realmente grande de agua puede unir una gran cantidad de dióxido de carbono incluso sin tectónica de placas (el agua absorbe el dióxido de carbono, y cuanto mayor es la presión, más puede contenerlo).).

Desiertos de aguas profundas

Con hipotéticas bacterias extraterrestres y arqueas, todo parece sencillo: pueden vivir en condiciones muy difíciles y para ello no necesitan en absoluto abundancia de muchos elementos químicos. Es más difícil con plantas y una vida altamente organizada que vive a sus expensas.

Entonces, los planetas oceánicos pueden tener un clima estable, muy probablemente más estable que la Tierra. También es posible que haya una cantidad notable de minerales disueltos en el agua. Y, sin embargo, la vida allí no es en absoluto Shrovetide.

Echemos un vistazo a la Tierra. A excepción de los últimos millones de años, su tierra es extremadamente verde, casi desprovista de manchas marrones o amarillas de los desiertos. Pero el océano no se ve verde en absoluto, excepto en algunas zonas costeras estrechas. ¿Porqué es eso?

Lo que pasa es que en nuestro planeta el océano es un desierto biológico. La vida requiere dióxido de carbono: "construye" biomasa vegetal y solo a partir de él se puede alimentar la biomasa animal. Si hay CO en el aire a nuestro alrededor₂ más de 400 ppm como está ahora, la vegetación está floreciendo. Si fuera menos de 150 partes por millón, todos los árboles morirían (y esto podría suceder en mil millones de años). Con menos de 10 partes de CO₂ por millón todas las plantas morirían en general, y con ellas todas las formas de vida realmente complejas.

A primera vista, esto debería significar que el mar es una verdadera extensión de vida. De hecho, los océanos de la Tierra contienen cien veces más dióxido de carbono que la atmósfera. Por lo tanto, debería haber mucho material de construcción para plantas.

De hecho, nada más lejos de la verdad. El agua de los océanos de la Tierra es de 1,35 trillones (billones de billones) de toneladas, y la atmósfera es de poco más de cinco cuatrillones (millones de billones) de toneladas. Es decir, hay notablemente menos CO en una tonelada de agua.₂que una tonelada de aire. Las plantas acuáticas en los océanos de la Tierra casi siempre tienen mucho menos CO₂ a su disposición que los terrestres.

Para empeorar las cosas, las plantas acuáticas solo tienen una buena tasa metabólica en agua tibia. Es decir, en él, CO₂ menos aún, porque su solubilidad en agua disminuye con el aumento de temperatura. Por lo tanto, las algas, en comparación con las plantas terrestres, existen en condiciones de constante y colosal deficiencia de CO.₂.

Es por eso que los intentos de los científicos por calcular la biomasa de los organismos terrestres muestran que el mar, que ocupa dos tercios del planeta, hace una contribución insignificante a la biomasa total. Si tomamos la masa total de carbono, el material clave en la masa seca de cualquier criatura viviente, los habitantes de la tierra, entonces es igual a 544 mil millones de toneladas. Y en los cuerpos de los habitantes de los mares y océanos: solo seis mil millones de toneladas, migajas de la mesa del maestro, un poco más de un por ciento.

Todo esto puede llevar a la opinión de que aunque la vida en los planetas-océanos es posible, será muy, muy antiestética. La biomasa de la Tierra, si estuviera cubierta por un océano, en igualdad de condiciones, sería, en términos de carbono seco, solo 10 mil millones de toneladas, cincuenta veces menos de lo que es ahora.

Sin embargo, incluso aquí es demasiado pronto para poner fin a los mundos acuáticos. El caso es que ya a una presión de dos atmósferas, la cantidad de CO₂, que puede disolverse en agua de mar, más del doble (para una temperatura de 25 grados). Con atmósferas de cuatro a cinco veces más densas que la de la Tierra, y esto es exactamente lo que esperarías en planetas como TRAPPIST-1e, gyf, puede haber tanto dióxido de carbono en el agua que el agua de los océanos locales comenzará a acercarse. el aire de la Tierra. En otras palabras, las plantas acuáticas en planetas y océanos se encuentran en condiciones mucho mejores que en nuestro planeta. Y donde hay más biomasa verde y los animales tienen una mejor base alimentaria. Es decir, a diferencia de la Tierra, los mares de los planetas-océanos pueden no ser desiertos, sino oasis de vida.

Planetas Sargazos

Pero, ¿qué hacer si el planeta océano, debido a un malentendido, todavía tiene la densidad de la atmósfera de la Tierra? Y no todo está tan mal aquí. En la Tierra, las algas tienden a adherirse al fondo, pero donde no hay condiciones para esto, resulta que las plantas acuáticas pueden nadar.

Algunas de las algas del sargazo usan sacos llenos de aire (se parecen a las uvas, de ahí la palabra portuguesa "sargazo" en el nombre del mar de los Sargazos) para proporcionar flotabilidad y, en teoría, esto le permite tomar CO₂ del aire, y no del agua, donde escasea. Debido a su flotabilidad, les resulta más fácil realizar la fotosíntesis. Es cierto que estas algas se reproducen bien solo a temperaturas del agua bastante altas y, por lo tanto, en la Tierra son relativamente buenas solo en algunos lugares, como el Mar de los Sargazos, donde el agua es muy cálida. Si el planeta oceánico es lo suficientemente cálido, incluso la densidad atmosférica de la tierra no es un obstáculo insuperable para las plantas marinas. Bien pueden tomar CO₂ de la atmósfera, evitando los problemas de dióxido de carbono bajo en agua tibia.

Algas sargazos. Foto: Allen McDavid Stoddard / Photodom / Shutterstock

Curiosamente, las algas flotantes en el mismo mar de los Sargazos dan lugar a todo un ecosistema flotante, algo así como una "tierra flotante". Allí viven cangrejos, por lo que la flotabilidad de las algas es suficiente para moverse por su superficie como si fuera tierra. Teóricamente, en las áreas tranquilas del planeta oceánico, los grupos flotantes de plantas marinas pueden desarrollar una vida bastante "terrestre", aunque no encontrarás tierra allí.

Comprueba tu privilegio, terrícola

El problema de identificar los lugares más prometedores para la búsqueda de vida es que hasta ahora tenemos pocos datos que nos permitan identificar a los portadores de vida más probables entre los planetas candidatos. Por sí solo, el concepto de "zona habitable" no es el mejor asistente aquí. En él, se consideran aptos para la vida aquellos planetas que reciben de su estrella una cantidad de energía suficiente para soportar depósitos de líquido al menos en una parte de su superficie. En el sistema solar, tanto Marte como la Tierra están en la zona habitable, pero al principio la vida compleja en la superficie es de alguna manera imperceptible.

Principalmente porque este no es el mismo mundo que la Tierra, con una atmósfera e hidrosfera fundamentalmente diferentes. La representación lineal al estilo de "el planeta-océano es la Tierra, pero sólo cubierto de agua" puede llevarnos al mismo engaño que existía a principios del siglo XX sobre la idoneidad de Marte para la vida. Los océanos reales pueden diferir considerablemente de nuestro planeta: tienen una atmósfera completamente diferente, diferentes mecanismos de estabilización del clima e incluso diferentes mecanismos para suministrar dióxido de carbono a las plantas marinas.

Una comprensión detallada de cómo funcionan realmente los mundos acuáticos nos permite comprender de antemano cuál será la zona habitable para ellos y, por lo tanto, acercarnos rápidamente a observaciones detalladas de tales planetas en James Webb y otros grandes telescopios prometedores.

Resumiendo, no se puede dejar de admitir que hasta hace muy poco nuestras ideas sobre qué mundos están realmente habitados y cuáles no, sufrieron demasiado por el antropocentrismo y el geocentrismo. Y, como ahora resulta, del "sushcentrismo": la opinión de que si nosotros mismos surgimos en la tierra, entonces es el lugar más importante en el desarrollo de la vida, y no solo en nuestro planeta, sino también en otros soles. Quizás las observaciones de los próximos años no dejen piedra sin remover desde este punto de vista.