¿Cómo encontrar océanos ocultos en planetas distantes? La química tiene la respuesta

Un nuevo estudio muestra cómo la química de la atmósfera de un exoplaneta puede, en algunos casos, revelar si la temperatura de su superficie es demasiado alta para permitir que el agua se mantenga en estado líquido.

En el sistema solar, los planetas son pequeños y rocosos (como la Tierra) o grandes y gaseosos (como Neptuno). Pero alrededor de otras estrellas, los astrónomos han encontrado planetas que se encuentran en un término medio, planetas un poco más grandes que la Tierra, pero más pequeños que Neptuno. Estos planetas pueden tener superficies rocosas u océanos de agua líquida, pero es probable que la mayoría estén rodeados por atmósferas mucho más gruesas y opacas que la de la Tierra.

En el nuevo estudio, publicado en Astrophysical Journal Letters, los investigadores muestran cómo la química de esas atmósferas podría revelar pistas sobre lo que hay debajo, en concreto, qué planetas son demasiado calientes como para mantener océanos de agua líquida. Dado que el agua líquida es un ingrediente necesario para la vida tal como la conocemos, esta técnica podría ayudar a los científicos a reducir la búsqueda de exoplanetas potencialmente habitables. Se han confirmado más de 4.500 exoplanetas en nuestra galaxia, con más de 7.700 candidatos aún por confirmar, pero los científicos estiman que existen cientos de miles de millones de exoplanetas en nuestra galaxia.

Algunos telescopios espaciales de la NASA equipados con espectrómetros, pueden revelar la composición química de la atmósfera de un exoplaneta. Un perfil químico de la atmósfera de la Tierra no podría afinar hasta el punto de revelar la presencia de, por ejemplo, vacas o humanos en la superficie del planeta, pero mostraría dióxido de carbono y metano producidos por mamíferos, y oxígeno producido por árboles. Ninguno de estos productos químicos por sí mismo sería un signo de vida, pero en combinación con otros datos, apoyarían la posibilidad de que nuestro planeta esté habitado.

El nuevo artículo muestra qué sustancias químicas podrían indicar la presencia de océanos ocultos en exoplanetas de entre 1,7 y 3,5 veces el diámetro de la Tierra. Dado que Neptuno tiene aproximadamente cuatro veces el diámetro de la Tierra, estos planetas a veces se denominan “subneptunos”.

Para ayudar a comprender la increíble variedad de exoplanetas que existen en nuestra galaxia, los científicos a veces usan términos como “Júpiter caliente” y “subneptuno” para indicar las similitudes y diferencias entre exoplanetas y planetas dentro de nuestro sistema solar.
Créditos: NASA/JPL-Caltech.

Una atmósfera espesa en un planeta subneptuno, retendría el calor en la superficie y elevaría la temperatura. Si la atmósfera alcanzara un cierto umbral, alrededor de los 770 grados Celsius, se sometería a un proceso llamado equilibrio termoquímico, que cambiaría su perfil químico. Después de que se produjera el equilibrio termoquímico, y suponiendo que la atmósfera del planeta estuviera compuesta principalmente de hidrógeno (que es común en los exoplanetas gaseosos) el carbono y el nitrógeno estarían presentes predominantemente en forma de metano y amoníaco.

Esos productos químicos faltarían en gran medida en una atmósfera más fría y delgada, donde no se produjera el equilibrio termoquímico. En ese caso, las formas dominantes de carbono y nitrógeno serían, el dióxido de carbono y las moléculas de dos átomos de nitrógeno.

Un océano de agua líquida debajo de la atmósfera dejaría signos adicionales, según el estudio, incluida la ausencia de casi todo el amoníaco, ya que se disolvería en el océano. En función del pH del océano, el gas amoniaco puede ser altamente soluble en agua. En una amplia gama de niveles de pH oceánico, los investigadores encontraron que la atmósfera debería estar prácticamente libre de amoníaco.

Además, habría más dióxido de carbono que monóxido de carbono en la atmósfera; por el contrario, después del equilibrio termoquímico, debería haber más monóxido de carbono que dióxido de carbono si hubiera cantidades detectables de cualquiera de ellos.

“Si vemos pruebas de equilibrio termoquímico, concluiríamos que el planeta es demasiado caliente para ser habitable”, dijo Renyu Hu, investigador del Jet Propulsion Laboratory de la NASA, quien dirigió el estudio. “A la inversa, si no vemos pruebas de equilibrio termoquímico y también vemos las firmas de gas disuelto en un océano de agua líquida, las tomaríamos como un fuerte indicador de habitabilidad”.

El Telescopio Espacial James Webb de la NASA, que se lanzará el 18 de diciembre, llevará un espectrómetro capaz de estudiar las atmósferas de exoplanetas. Científicos como Hu, están trabajando para anticipar qué tipos de perfiles químicos detectará Webb en esas atmósferas y qué podrían revelar sobre estos planetas distantes. El observatorio tendrá la capacidad de identificar signos de equilibrio termoquímico en atmósferas subneptunos, en otras palabras, signos de un océano oculto, como se identifica en el documento.

A medida que Webb descubra nuevos planetas o realice estudios en profundidad de planetas conocidos, la información podrá ayudar a los científicos a decidir cuáles son dignos de observaciones adicionales, planetas que podrían albergar vida.

“No tenemos pruebas de observaciones directas que nos indiquen cuáles son las características físicas comunes de los subneptunos”, dijo Hu. “Muchos de ellos pueden tener atmósferas masivas de hidrógeno, pero algunos podrían ser ‘planetas oceánicos’. Espero que este artículo motive muchas más observaciones en un futuro cercano para poder averiguarlo”.

Noticia original (en inglés)

Edición: R. Castro.