En noviembre de 2021, el telescopio espacial James Webb (JWST) realizará su tan esperado viaje al espacio. Este observatorio de próxima generación observará el cosmos utilizando su avanzada suite de infrarrojos y revelará muchas cosas nunca antes vistas. Para 2024, se unirá al telescopio espacial Nancy Grace Roman (RST), el sucesor de la misión Hubble que tendrá 100 veces el campo de visión del Hubble y un tiempo de observación más rápido.

Estos instrumentos harán enormes contribuciones a muchos campos de investigación, uno de los cuales es el descubrimiento y caracterización de planetas extrasolares. Pero incluso con su óptica y capacidades avanzadas, estas misiones no podrán examinar las superficies de los exoplanetas en detalle. Sin embargo, un equipo de la UC Santa Cruz (UCSC) y el Space Science Institute (SSI) ha desarrollado la siguiente mejor opción: una herramienta para detectar la superficie de un exoplaneta sin verla directamente.

El artículo que describe su investigación, titulado “Cómo identificar superficies de exoplanetas usando rastros de especies atmosféricas en atmósferas dominadas por hidrógeno”, apareció recientemente en The Astrophysical Journal. Como indicaron, el equipo buscó desarrollar formas de estudiar las superficies de los exoplanetas en función de su composición atmosférica. Esto es necesario ya que ninguno de los próximos telescopios espaciales tiene la capacidad de estudiar las características de la superficie de un exoplaneta de forma indirecta.

Sin embargo, estos mismos telescopios serán excelentes herramientas para determinar la composición de las atmósferas de exoplanetas. Más allá de los telescopios espaciales James Webb y Roman, varios observatorios terrestres de próxima generación entrarán en funcionamiento en los próximos años y tendrán capacidades similares. Estos incluyen el Telescopio Extremadamente Grande (ELT), el Telescopio Gigante de Magallanes (GMT) y el Telescopio de Treinta Metros (TMT).

Con su combinación de alta sensibilidad, coronografías y óptica adaptativa, estos observatorios podrán realizar estudios de imágenes directas de exoplanetas, donde se estudiará la luz reflejada directamente desde la atmósfera de un exoplaneta para determinar la composición atmosférica. Esto ayudará a los astrónomos y astrobiólogos a establecer restricciones más estrictas sobre qué exoplanetas son «potencialmente habitables» y cuáles no.

Sin embargo, las condiciones que consideramos prerrequisitos para la vida también incluyen procesos geológicos como la actividad volcánica y la tectónica de placas, que son discernibles a partir de sus características superficiales asociadas. Si bien es posible que no podamos discernirlos en un futuro cercano, Xinting Yu (becaria postdoctoral en Ciencias Planetarias y de la Tierra en UCSC) y sus colegas han propuesto una nueva forma de determinar las características de la superficie en función de la abundancia de gases atmosféricos.

Como explicó el Dr. Yu a Universe Today por correo electrónico, la inspiración para este método provino de dos cuerpos en nuestro Sistema Solar: Júpiter y Titán (la luna más grande de Saturno). Ambos cuerpos tienen atmósferas gaseosas densas con dos especies químicas, amoníaco (NH3) y metano (CH4), que desempeñan un papel importante en los procesos atmosféricos. Dijo Yu:

“Titán tiene una superficie fría y poco profunda sin casi nada (o se supone que no tiene nada) de amoníaco y metano, mientras que la atmósfera de Júpiter tiene mucho amoníaco y metano. ¿Por qué está pasando esto? En la atmósfera superior de Júpiter y Titán, el amoníaco y el metano son destruidos constantemente por fotones UV, formando nitrógeno (para el amoníaco) e hidrocarburos más complejos (para el metano). En Titán, el nitrógeno formado por la fotoquímica y los hidrocarburos complejos se siguen formando y acumulando ”.


En resumen, el metano y el amoníaco se destruyen en la atmósfera de Titán y luego se consumen para formar nitrógeno e hidrocarburos. Esto es lo que llevó a que el nitrógeno se convirtiera en el gas dominante en la atmósfera de Titán (98% en volumen) y a la gran deposición de hidrocarburos en su superficie, lo que llevó a la formación de un ambiente rico en orgánicos. Debido al frío extremo de la superficie de Titán, este proceso de conversión es irreversible.

Júpiter, por otro lado, también tiene amoníaco y metano en su densa atmósfera, pero no tiene una superficie de la que hablar. Como explicó Yu, esto da como resultado un proceso bastante diferente en el que participan las especies químicas:

“Debido a que no hay superficie en Júpiter, la atmósfera simplemente se extiende hasta miles de presiones de la superficie de la Tierra y miles de kelvin. El nitrógeno formado por fotoquímica y los hidrocarburos complejos en la atmósfera superior pueden transportarse a esta parte profunda y caliente de la atmósfera. Allí, podrían combinar hidrógeno para reformar el metano y el amoníaco. El metano y el amoníaco reformados se «reciclan» de nuevo a la atmósfera superior. Este ciclo continúa reponiendo el metano destruido y amoniaco «.

Otro punto clave abordado por Yu y su equipo tiene que ver con el censo actual de exoplanetas. Hasta la fecha, la mayoría de los exoplanetas descubiertos han sido mini-Neptuno, es decir, planetas que son menos masivos que Neptuno pero tienen una atmósfera espesa dominada por hidrógeno y helio. De hecho, de los 4.401 exoplanetas confirmados hasta la fecha, 1.488 han sido identificados como «similares a Neptuno», con masas que van desde 9 veces la de la Tierra hasta un poco menos que la de Júpiter.


Debido a sus envolturas gaseosas y las distancias involucradas, es imposible determinar si estos planetas han emergido y dónde se encuentran. Debido a su importancia estadística, Yu y su equipo decidieron utilizar uno en particular para probar su novedoso enfoque. Se trataba de K2-18b, un mini-Neptuno con aproximadamente 8 veces la masa de la Tierra que orbita dentro de la zona habitable (HZ) de una estrella enana roja (K2-18) ubicada a 124 años luz de la Tierra.

Originalmente detectado por el Telescopio Espacial Kepler en 2015, K2-18b es el primer exoplaneta HZ que tiene cantidades significativas de vapor de agua en su atmósfera. Usando un modelo fotoquímico, Yu y su equipo simularon cómo la presencia de una superficie en este exoplaneta afectaría la evolución atmosférica de K2-18b. También tuvieron en cuenta los diferentes niveles de temperatura y presión atmosférica, factores que están relacionados con la elevación de la superficie.

“Nos preguntamos si podemos usar la abundancia de especies como el amoníaco y el metano para saber si un exoplaneta tiene superficie o no”, dijo Yu. “Una superficie fría y poco profunda cortaría todas las reacciones de“ reciclaje ”que requieren altas temperaturas y presiones en atmósferas planetarias profundas para reformar el metano y el amoníaco. Por lo tanto, esperamos ver poco metano y amoníaco en un exoplaneta con una superficie fría y poco profunda, y mucho metano y amoníaco en un exoplaneta sin superficie o con una superficie profunda y caliente «.

Lo que encontraron fue que el amoníaco y el metano, como se predijo, eran sensibles tanto a la presencia como a la elevación de una superficie. Esto es consistente con lo que se ha observado con exoplanetas que tienen superficies frías y poco profundas, donde especies químicas como el agua, el cianuro de hidrógeno y los hidrocarburos más pesados ​​se descomponen por exposición a los rayos UV. Mientras tanto, se retienen especies como el monóxido de carbono y el dióxido de carbono (que son menos propensos a la destrucción por rayos UV).

Sin embargo, lo inesperado fue la forma en que diferentes sustancias químicas son sensibles de diferentes maneras a diferentes niveles de elevación. Según Yu, esto se debe al hecho de que las especies de carbono y nitrógeno tienen un «punto óptimo» donde pueden reciclarse por completo. Mientras que el amoníaco y el cianuro de hidrógeno (HCN) son sensibles a atmósferas con densidades de 100 bar en la superficie (100 veces la de la Tierra, similar a Venus), el metano, el monóxido de carbono y el dióxido de carbono son sensibles a presiones por debajo de los 10 bar en la superficie. (diez veces mayor que la de la Tierra).

Estos hallazgos presentan múltiples implicaciones para el estudio de exoplanetas, la principal de las cuales es el hecho de que las superficies planetarias son importantes. Dijo Yu:

“Anteriormente, los científicos predecían la composición atmosférica de los exoplanetas utilizando modelos de equilibrio termoquímico. Las composiciones atmosféricas están determinadas únicamente por la presión y la temperatura de la atmósfera. Pero nuestro estudio muestra que, incluso si la presión y la temperatura son las mismas, ¡agregar una superficie puede cambiar drásticamente la composición atmosférica de un exoplaneta! «

Otra implicación de este estudio es que es posible que los astrónomos aprendan sobre las superficies de los exoplanetas basándose en su composición atmosférica. «Por ejemplo, cuando los observadores ven cantidades agotadas de amoníaco y HCN, podemos decir que este exoplaneta tiene una superficie de menos de 100 bar», agregó Yu. “Entonces, si también vemos cantidades agotadas de metano, hidrocarburos y una mayor cantidad de monóxido de carbono, eso indica una superficie de menos de 10 bar. ¡Eso es bastante prometedor para identificar exoplanetas habitables! «

Más allá de la caracterización de mini-Neptunes, esta investigación también tiene implicaciones para todos los demás tipos de exoplanetas, incluidos los rocosos, «similares a la Tierra». De hecho, mientras el planeta en cuestión tenga atmósfera y esté sujeto a radiación ultravioleta en su atmósfera superior, el tamaño del exoplaneta es irrelevante. En todos los casos, los astrónomos verán las mismas diferencias en las abundancias químicas dependiendo de si hay o no superficie.


Según Yu, son los exoplanetas más pequeños y fríos los que son objetivos de prueba más prometedores para este método, ya que es más probable que tengan superficies frías y poco profundas. Sin embargo, los planetas más pequeños también tienen más probabilidades de tener procesos interiores o superficiales que afectará la abundancia de ciertas sustancias químicas en sus atmósferas, como la actividad volcánica y la tectónica de placas. Cuanto más pequeños sean, más significativos podrían ser estos procesos.

Estas y otras preocupaciones son cosas que Yu y su equipo esperan estudiar con mayor detalle en el futuro para determinar la solidez de sus resultados y cómo podrían verse afectados por diferentes perturbaciones de la superficie / interior de los exoplanetas. Sus esfuerzos, y los de los astrobiólogos en general, se beneficiarán enormemente del lanzamiento del JWST, que actualmente está programado para noviembre de 2021. Dijo Yu:

“Nuestro estudio señala un ángulo científico interesante para JWST. Está bien tener únicamente datos de caracterización atmosférica. Sin observaciones directas de la superficie, todavía podemos saber si un exoplaneta tiene una superficie, e incluso aproximadamente dónde se encuentra la superficie. Saber si un exoplaneta tiene superficie también es indudablemente importante para la astrobiología. Es probable que se necesite una superficie líquida o sólida para sostener formas de vida complejas. Por lo tanto, la existencia de una superficie sería algo esencial a tener en cuenta al evaluar la habitabilidad de un exoplaneta «.

La capacidad de estudiar exoplanetas directamente, combinada con la capacidad de restringir las condiciones de su superficie, avanzará considerablemente en el estudio de la astrobiología. El campo también se beneficiará de métodos innovadores que podrían permitir a los científicos buscar vida (también conocidas como biofirmas) basándose en diferentes niveles de entropía en un entorno o diferentes niveles de complejidad con partículas orgánicas. ¡Poco a poco, estamos reduciendo el enfoque y ajustando las limitaciones!

Si hay vida por ahí para encontrar, ¡seguro que la encontraremos tarde o temprano!

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