Trappist-1e es un exoplaneta rocoso en la zona habitable de una estrella a 39 años luz de la Tierra y puede tener agua y nubes, como se muestra en la impresión de este artista. Crédito: NASA/JPL-Caltech
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Para buscar vida extraterrestre, los astrónomos buscarán pistas en las atmósferas de planetas distantes, y el Telescopio Espacial James Webb de la NASA acaba de demostrar que es posible hacerlo.
Los ingredientes necesarios para la vida se extienden por todo el universo. Si bien la Tierra es el único lugar conocido con vida en el universo, detectar vida más allá de nuestro planeta es un objetivo importante de la astronomía moderna y la ciencia planetaria.
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Somos dos investigadores que estudiamos exoplanetas y astrobiología. Gracias en gran parte a los potentes telescopios de próxima generación como James Webb, científicos como nosotros pronto podremos medir la composición química de las atmósferas de los planetas que orbitan alrededor de otras estrellas. Se espera que detectemos una firma química de vida en uno o más de estos exoplanetas.
Existen muchos exoplanetas conocidos en zonas habitables, órbitas no demasiado cercanas a una estrella de la que el agua hierve, pero no tan lejos como para que el planeta esté congelado sólido, como se marca en verde tanto para el sistema solar como para el sistema estelar Kepler-186 con sus planetas etiquetados b, c, d, e y f. Crédito: NASA Ames/SETI Institute/JPL-Caltech
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Exoplanetas habitables
La vida podría existir en nuestro sistema solar donde hay agua líquida, como en los océanos de la luna Europa de Júpiter o en los acuíferos subsuperficiales en Marte. Sin embargo, buscar vida en estos lugares es increíblemente difícil, ya que son difíciles de alcanzar y detectar vida requeriría enviar una sonda para recolectar y devolver muestras físicas.
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Muchos astrónomos creen que hay una buena posibilidad de que exista vida en planetas que orbitan otras estrellas, y es posible que ahí es donde primero se encontrará vida extraterrestre.Hay alrededor de 300 millones de planetas potencialmente habitables solo en la galaxia de la Vía Láctea, según cálculos teóricos, y varios planetas habitables del tamaño de la Tierra a solo 30 años luz de la Tierra, esencialmente los vecinos galácticos de la humanidad. Los astrónomos han descubierto más de 5.000 exoplanetas hasta ahora, incluidos cientos de potencialmente habitables, utilizando métodos indirectos que miden cómo un planeta afecta a su estrella cercana. Si bien estas mediciones pueden dar a los astrónomos información básica sobre la masa y el tamaño de un exoplaneta, no proporcionan mucho más.
Cada material absorbe ciertas longitudes de onda de luz, como se muestra en este diagrama que representa las longitudes de onda de la luz absorbidas más fácilmente por diferentes tipos de clorofila. Crédito: Daniele Pugliesi/Wikimedia Commons, CC BY-SA
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Buscando biofirmas
Para detectar vida en un planeta distante, los astrobiólogos inspeccionarán la luz de las estrellas que ha interactuado con la superficie o la atmósfera de un planeta. Si la atmósfera o la superficie fue transformada por la vida, la luz puede llevar una pista, llamada “biofirma”.
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Durante la primera mitad de su existencia, la Tierra lució una atmósfera sin oxígeno, a pesar de que albergaba vida simple y unicelular. La biofirma de la Tierra fue muy débil durante esta era temprana. Eso cambió abruptamente hace 2.400 millones de años cuando una nueva familia de algas evolucionó. Las algas utilizaron un proceso de fotosíntesis que produce oxígeno libre, oxígeno que no está unido químicamente a ningún otro elemento. A partir de ese momento, la atmósfera llena de oxígeno de la Tierra ha dejado una biofirma fuerte y fácilmente detectable en la luz que pasa a través de ella.
Cuando la luz rebota en la superficie de un material o pasa a través de un gas, es más probable que ciertas longitudes de onda de la luz permanezcan atrapadas en la superficie del gas o material que otras. Esta captura selectiva de longitudes de onda de la luz es la razón por la que los objetos son de diferentes colores. Las hojas son verdes porque la clorofila es particularmente buena para absorber la luz en las longitudes de onda roja y azul. A medida que la luz golpea una hoja, las longitudes de onda rojas y azules se absorben, dejando que la luz principalmente verde rebote en sus ojos.
El patrón de luz faltante está determinado por la composición específica del material con el que interactúa la luz. Debido a esto, los astrónomos pueden aprender algo sobre la composición de la atmósfera o superficie de un exoplaneta midiendo, en esencia, el color específico de la luz que proviene de un planeta.Este método se puede utilizar para reconocer la presencia de ciertos gases atmosféricos que están asociados con la vida, como el oxígeno o el metano, porque estos gases dejan firmas muy específicas en la luz. También podría usarse para detectar colores peculiares en la superficie de un planeta. En la Tierra, por ejemplo, la clorofila y otros pigmentos que las plantas y algas utilizan para la fotosíntesis capturan longitudes de onda específicas de la luz. Estos pigmentos producen colores característicos que se pueden detectar mediante el uso de una cámara infrarroja sensible. Si vieras este color reflejándose en la superficie de un planeta distante, potencialmente significaría la presencia de clorofila.
El Telescopio Espacial James Webb es el primer telescopio capaz de detectar firmas químicas de exoplanetas, pero tiene capacidades limitadas. Crédito: NASA/Desiree Stover
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Telescopios en el espacio y en la Tierra
Para detectar estos cambios sutiles en la luz proveniente de un exoplaneta potencialmente habitable, se necesita un telescopio increíblemente poderoso. Por ahora, el único telescopio capaz de tal hazaña es el nuevo Telescopio Espacial James Webb. Cuando acaba de comenzar las operaciones científicas en julio de 2022, Webb tomó una lectura del espectro del exoplaneta gigante gaseoso WASP-96b. Aunque el espectro mostró la presencia de agua y nubes, es poco probable que un planeta tan grande y caliente como WASP-96b albergue vida.
Sin embargo, estos primeros datos muestran que James Webb es capaz de detectar débiles firmas químicas en la luz proveniente de exoplanetas. En los nuevos meses, Webb está listo para girar sus espejos hacia TRAPPIST-1e, un planeta potencialmente habitable del tamaño de la Tierra ubicado a solo 39 años luz de la Tierra.Webb puede buscar biofirmas estudiando planetas a medida que pasan frente a sus estrellas anfitrionas y capturando la luz estelar que se filtra a través de la atmósfera del planeta. Pero Webb no fue diseñado para buscar vida, por lo que el telescopio solo puede examinar algunos de los mundos potencialmente habitables más cercanos. También solo puede detectar cambios en los niveles atmosféricos de dióxido de carbono, metano y vapor de agua. Si bien ciertas combinaciones de estos gases pueden sugerir vida, Webb no puede detectar la presencia de oxígeno no adherido, que es la señal más fuerte para la vida.
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Los conceptos principales para futuros telescopios espaciales, aún más poderosos, incluyen planes para bloquear la luz brillante de la estrella anfitriona de un planeta para revelar la luz estelar reflejada desde el planeta. Esta idea es similar a usar la mano para bloquear la luz solar para ver mejor algo en la distancia. Los futuros telescopios espaciales podrían usar máscaras pequeñas e internas o naves espaciales grandes, externas y similares a paraguas para hacer esto. Una vez que la luz de las estrellas se bloquea, se vuelve mucho más fácil estudiar la luz que rebota en un planeta.También hay tres enormes telescopios terrestres actualmente en construcción que podrán buscar biofirmas: el Telescopio Gigante de Magallanes, el Telescopio de Treinta Metros y el Telescopio Europeo Extremadamente Grande. Cada uno es mucho más poderoso que los telescopios existentes en la Tierra, y estos telescopios podrían ser capaces de sondear las atmósferas de los mundos más cercanos en busca de oxígeno, a pesar de la desventaja de la atmósfera de la Tierra que distorsiona la luz de las estrellas.
Los animales, incluidas las vacas, producen metano, pero también lo hacen muchos procesos geológicos.
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¿Es biología o geología?
Incluso utilizando los telescopios más potentes de las próximas décadas, los astrobiólogos solo podrán detectar biofirmas fuertes producidas por mundos que han sido completamente transformados por la vida.
Desafortunadamente, la mayoría de los gases liberados por la vida terrestre también pueden ser producidos por procesos no biológicos: tanto las vacas como los volcanes liberan metano. La fotosíntesis produce oxígeno, pero la luz solar también lo hace cuando divide las moléculas de agua en oxígeno e hidrógeno. Existe una buena posibilidad de que los astrónomos detecten algunos falsos positivos cuando buscan vida distante. Para ayudar a descartar falsos positivos, los astrónomos deberán comprender un planeta de interés lo suficientemente bien como para comprender si sus procesos geológicos o atmosféricos podrían imitar una biofirma.
La próxima generación de estudios de exoplanetas tiene el potencial de pasar la barra de la evidencia extraordinaria necesaria para probar la existencia de vida. La primera publicación de datos del Telescopio Espacial James Webb nos da una idea del emocionante progreso que se avecina.
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Escrito por:
Chris Impey, Profesor Distinguido de Astronomía de la Universidad, Universidad de Arizona
Daniel Apai, Profesor de Astronomía y Ciencias Planetarias, Universidad de Arizona
Este artículo se publicó por primera vez en The Conversation.
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