El "borde habitable" de las exolunas

El "borde habitable" de las exolunas
por Adam Hadhazy

Concepción artística de un par de exolunas orbitando un gigante gaseoso (Crédito: R. Heller, AIP)

Los astrónomos tienen los dedos cruzados para que en el recorrido de los datos recogidos por la misión Kepler de la NASA, que ya ha detectado cerca de tres mil posibles exoplanetas, descubra las firmas de las primeras exolunas. 

El descubrimiento de las lunas alienígenas abrirá una nueva frontera en la emocionante búsqueda continua de mundos habitables fuera del Sistema Solar. Con la confirmación de exolunas probablemente a la vuelta de la esquina, los investigadores han comenzado a abordar los factores únicos y poco terrenales que puedan afectar su habitabilidad. 

Porque las exolunas orbitan un cuerpo planetario mayor, tienen un conjunto adicional de restricciones a su potencial habitabilidad que los planetas en sí mismos. Los ejemplos incluyen eclipses de su planeta anfitrión, así como la luz del sol reflejada y las emisiones de calor. Más que nada, el calentamiento de la marea gravitacionalmente inducida por un planeta anfitrión puede impactar dramáticamente el clima y la geología lunar. 

En esencia, en comparación con los planetas, las exolunas tienen fuentes adicionales de energía que pueden alterar sus "presupuestos de energía", que, si son demasiado altos, puede convertir un potencial paraíso templado en un desierto abrasado.

"Lo que discrimina a la habitabilidad de un satélite de la habitabilidad de un planeta en general es que tiene diferentes contribuciones a su presupuesto de energía", dijo René Heller, un investigador asociado postdoctoral en el Instituto Leibniz para Astrofísica en Potsdam, Alemania.

El "borde habitable"

En una serie de artículos recientes, Heller y su colega Rory Barnes de la Universidad de Washington y el Instituto de Astrobiología de la NASA abordan algunos de los problemas generales a la habitabilidad que plantea la relación entre las exolunas y sus planetas anfitriones.

Un ejemplo de irradiación circunestelar de una zona habitable , la banda orbital alrededor de una estrella donde el agua puede existir en forma líquida en la superficie de un planeta o de una exoluna (Crédito: NASA / JPL-Caltech)

 
Heller y Barnes han propuesto un "borde habitable" circumplanetario, similar a la bien establecida "zona habitable" circunestelar. Esta zona es la banda de temperatura alrededor de una estrella dentro de la cual el agua ni hierve ni se congela fuera de la superficie de un planeta (no demasiado caliente ni demasiado fría, por lo que se ganó el apodo "la zona Ricitos de Oro").

El borde habitable es bastante diferente. Se define como la órbita circumplanetaria más interna en la que una exoluna no se someterá a lo que se conoce como un aplastante efecto invernadero. "Para ser habitables, las lunas deben orbitar sus planetas fuera del borde habitable", dijo Heller.

Un efecto invernadero descontrolado se produce cuando el clima de un planeta o de una luna se calienta inexorablemente debido a los circuitos de retroalimentación positiva. Un ejemplo se cree que ha tenido lugar justo al lado, por así decirlo, en el otro planeta más parecido a la Tierra que conocemos: Venus. 

Allí, el calor de un sol joven y brillante podría haber evaporado crecientemente un océano primordial. Este proceso de evaporación pone cada vez más vapor de agua que atrapa el calor en la atmósfera, lo que conduce a una mayor evaporación, y así sucesivamente, eventualmente secando al planeta ya que el agua estaba descompuesta en hidrógeno y oxígeno por la radiación ultravioleta del sol. El hidrógeno atmosférico en Venus escapó al espacio, y sin hidrógeno, no se puede formar más agua.

Lunas situadas en órbitas muy distantes de sus planetas deben estar con seguridad más allá del borde habitable en el que se lleva a cabo la desecación.

"Por lo general, y especialmente en el sistema solar, la iluminación estelar es, con mucho, la mayor fuente de energía en una luna", dijo Heller. "En todas el órbitas planetarias, las lunas se alimentan casi en su totalidad por la entrada estelar. Pero si un satélite orbita a su planeta anfitrión muy de cerca, entonces la reflexión estelar del planeta, su propia emisión térmica, los eclipses y el calentamiento de la marea de la luna puede llegar a ser considerable".

Los efectos acumulativos de los efectos del calentamiento sin mareas son pequeños, pero podría ser la diferencia entre una exoluna que está dentro o fuera del borde habitable.

Tomando el brillo

Una figura que muestra los diferentes tipos de iluminación que una exoluna puede recibir tanto de su estrella como de su planeta anfitrión durante las cuatro fases de un periodo orbital. Tenga en cuenta que la imagen no está a escala y que las penumbras -sombras parciales- se tienen en cuenta para la facilidad conceptual (Crédito: Heller y Barnes).

Aquí en la Tierra, tenemos un poco de energía extra de la Luna en forma de luz de luna, que refleja la luz del Sol.

Las lunas, sin embargo, se bañan mucho más con la luz solar de sus vecinos planetarios; la Tierra brilla casi 50 veces más en el cielo lunar que como lo hace la Luna en nuestro cielo nocturno. Además de la luz solar reflejada, los planetas también emiten luz solar absorbida en forma de radiación térmica sobre sus exolunas.

Este "brillo planetario" puede agregar una cantidad no despreciable de energía para un consumo total de la exoluna. Imagine un planeta gigante de gas que orbita una estrella similar al Sol a aproximadamente la misma distancia que la Tierra orbita alrededor de nuestro sol. Para una luna con una órbita relativamente cercana alrededor de este planeta, como la órbita de Io alrededor de Júpiter, Heller calcula que la luna podría absorber otros siete más o menos vatios por metro cuadrado de energía (la Tierra absorbe cerca de 240 vatios por metro cuadrado del Sol). 

Periódico hundimiento en la oscuridad  

Los eclipses pueden potencialmente compensar parte de la entrada de energía adicional de brillo planetario. Para los eclipses, Heller calcula que la iluminación estelar perdida por una exoluna en una órbita cercana (similar a la más cercana encontrada en nuestro sistema solar) es de hasta 6,4 por ciento.  

Curiosamente, porque la mayoría de las lunas incluida la nuestra están ancladas por las mareas a su planeta -es decir, un lado de la Luna siempre se enfrenta al planeta- los eclipses así como el brillo planetario sólo oscurecerían e iluminarían un hemisferio. Este fenómeno podría modificar el clima, así como el comportamiento de las formas de vida, de maneras que no se ven en la Tierra. 

"La iluminación asimétrica en la luna podría inducir patrones de viento y temperatura, tanto en términos de geografía y en el tiempo, que se conocen desde los climas planetarios", señaló Heller. "La vida en una luna de eclipses frecuentes y regulares seguramente tendría también que adaptar sus ritmos de sueño-vigilia y caza-escondite, pero sólo las criaturas del hemisferio que mira hacia el planeta".

El rol de las mareas

Aunque la pérdida relacionada con el eclipse de varios puntos porcentuales de la iluminación no es una gran pérdida de energía, un dúo luna-planeta puede ser que necesite estar más cerca de su estrella para compensar este déficit si la luna todavía se considera habitable desde una perspectiva de la zona Ricitos de Oro.

Sin embargo, esta situación presenta otro obstáculo para la habitabilidad: cuanto más cerca está un planeta a su estrella, el tirón gravitacional más fuerte de la estrella se encuentra en las lunas del planeta. Este tirón extra puede tirar las lunas hacia órbitas no circulares o excéntricas alrededor de sus planetas. Las órbitas excéntricas, a su vez, dan lugar a cantidades variables de estrés gravitacional ejercidas sobre la luna en su órbita.

Estas "fuerzas de marea", como se les llama, causan el calentamiento debido a la fricción. Las mareas oceánicas que experimentamos en la Tierra se deben en parte a causa de la gravedad de la Luna tirando más en el agua y la tierra más cercana, lo que distorsiona la forma de la Tierra. El efecto es en ambos sentidos, por supuesto, pero no igualmente, con los planetas induciendo el calentamiento significativamente mayor de la marea dentro de sus lunas mucho más pequeñas.

Si la órbita de una exoluna la lleva demasiado cerca de su planeta, el calentamiento por marea podría empujar el presupuesto de energía muy arriba, culminando con un efecto invernadero desbocado. En los extremos, el calentamiento por marea podría desencadenar una actividad volcánica masiva, dejando al satélite cubierto de magma y claramente inhóspito, al igual que la "luna pizza" de Io.

Por otra parte, hay que señalar, el calentamiento de la marea podría ser un salvador de la vida. El calentamiento por marea podría ayudar a sostener un océano bajo la superficie, como el que se sospecha que existe dentro de Europa, la luna de Saturno, haciendo alternativamente a una exoluna de otra manera poco acogedora fuera de la zona habitable tradicional en potencialmente habitable.

Estrellas pequeñas, lunas muertas

Un planeta gigante gaseoso anillado y su luna bañada por los rayos carmesí de una estrella enana roja (Crédito: NASA / ESA / G.Bacon (STScI)).

 
Otro factor que entra en juego son los eclipses que quitan un poco de energía de una exoluna y requieren que la pareja luna-planeta esté más cerca de su estrella. Para permanecer unida por la gravedad de un planeta y no ser arrancada por la gravedad de la estrella, la luna debe estar dentro del llamado "radio Hill" -esfera del planeta de dominio gravitacional. Este radio se contrae con la mayor proximidad a la estrella anfitriona. Cuanto más cerca el planeta y la luna están de su estrella, menos espacio está disponible fuera del borde habitable.

Para los planetas y sus lunas acompañantes alrededor de las oscuras y frías estrellas de baja masa llamadas enanas rojas, esta dinámica se vuelve importante. La zona habitable alrededor de las estrellas enanas rojas es muy apretada; para una estrella con una cuarta parte de la masa del Sol, por ejemplo, la zona Ricitos de Oro se cree que tiene alrededor de sólo el 13 por ciento de la distancia Tierra-Sol, en otras palabras, un tercio de la distancia orbital de Mercurio al Sol.

En un sistema solar de una enana roja, no sólo debe estar entonces una luna más cerca de su zona de habitabilidad del planeta, pero dada la necesaria proximidad del planeta a su estrella, la órbita de la luna tenderá a ser excéntrica. Estas cualidades aumentan las posibilidades de que la luna caiga dentro del borde habitable.  

Heller calculó que para muchas estrellas enanas rojas, las probabilidades de que aquellas acojan lunas habitables es por consiguiente escasa.  

"Hay un límite en la masa estelar crítica por debajo de la cual no puede existir lunas habitables", dijo Heller. "Alrededor de las estrellas de baja masa con masas de alrededor de un veinte por ciento de la masa del Sol, la luna debe estar tan cerca de la zona habitable de su planeta para permanecer unida por la gravedad que está sometida a un intenso calentamiento por las mareas y no puede en ningún caso ser habitable".

Un poco aquí, un poco allá

Muchos factores más allá de las consideraciones sobre los borde habitables, por supuesto, finalmente determinan la habitabilidad de una exoluna. Para ser considerado en términos generales habitable por, entre otras criaturas, las bacterias del subsuelo, una exoluna debe cumplir con algunos de los mismos criterios básicos que un exoplaneta habitable similar a la Tierra: debe tener agua líquida en la superficie, una atmósfera sustancial de larga duración y un campo magnético para protegerlo de la radiación solar (y, en el caso de las exolunas alrededor de los gigantes gaseosos como Júpiter, de las partículas cargadas creadas en la magnetosfera de la exoplaneta gigante).

Selección de las lunas del sistema solar. Lunas lejos más grandes deben estar en órbita en torno a posibles exoplanetas (Crédito: NASA)

Para poseer estas cualidades, que los científicos dicen que crece más probablemente con una masa cada vez mayor, una exoluna habitable probablemente será bastante grande en comparación con las del sistema solar -más en el orden del tamaño de la Tierra. La luna más grande de nuestro Sistema Solar, Ganímedes, de Júpiter, está a sólo 2,5 por ciento de la masa de la Tierra. Sin embargo, estudios previos han sugerido que las lunas monstruosas para los estándares del sistema solar son posibles.

La misión Kepler se espera que sea capaz de detectar exolunas de hasta aproximadamente el 20 por ciento de la masa de la Tierra. Los datos, que consisten en la medición de los huecos extremadamente pequeños en la cantidad de luz estelar que sus planetas (o lunas) bloquean desde nuestro punto de vista, deberían revelar la masa de una luna y también los parámetros orbitales.

Armados con esta información -y ahora con las consideraciones sobre los borde habitables- los astrónomos pueden así tener la esperanza de hacer algunas especulaciones aproximadas sobre cualquier pronto-a-ser-descubierta propensión de una exoluna de apoyar a los seres vivos.

Heller espera que habrá una lista de exolunas candidatas que estén listas para ser observadas por la próxima generación de instrumentos, tales como el telescopio espacial James Webb y los telescopios terrestres de la clase treinta metros. Estos observatorios, que entrarán en funcionamiento en los próximos diez años, podrían ser capaces de caracterizar los ambientes de las exolunas y ofrecer pruebas tentativas de vida.

"Las primeras exolunas que encontraremos serán grandes -tal vez como Marte, o incluso del tamaño de la Tierra- y por lo tanto intrínsecamente más propensas a ser habitables que las pequeñas lunas", dijo Heller. "Con Kepler encontrando muchos más planetas gigantes que planetas terrestres en zonas habitables estelares, es muy importante que tratemos de averiguar qué condiciones podrían tener las lunas de estos gigantes para evaluar si pueden albergar vida extraterrestre".

http://www.astrobio.net/exclusive/5364/the-habitable-edge-of-exomoons

Modificado por orbitaceromendoza