La extraña habitabilidad de las enanas marrones.

De los cuatro sistemas más cercanos al Sistema Solar, dos son los conocidos Alfa Centauri a 4,4 años luz y la Estrella de Barnard a 6 años luz; pero en 2013 y 2014 se descubrieron dos nuevos sistemas extraordinarios compuestos, al parecer, por enanas marrones: Luhman-16, a unos 6,6 años y WISE 0855−0714 a 7,2 años luz.

Representación artística de una enana marrón. La luz de estas enanas no producirían dispersión de Raleigh en la atmósfera de los planetas. Como consecuencia, en ausencia de nubes y calimas en estos planetas se podrían ver las estrellas de día (Fuente: NASA/JPL Caltech)

La pregunta que nos surge sobre estos nuevos y cercanos cuerpos que la Astronomía está descubriendo es intuitiva: ¿podrían estos extraños objetos ser capaces de albergar vida?

Si la habitabilidad de las estrellas enanas rojas es un tema no exento de dificultades: peligros de desecación, actividad estelar, radiaciones ionizantes, efectos de marea, entre otros, cuando nos adentramos en la habitabilidad de los planetas en torno a las enanas marrones el tema alcanza dificultades extremas.

Las enanas marrones son objetos menos masivos que las estrellas. Sus masas son tan reducidas que en su núcleo no pueden mantener la fusión del hidrógeno, salvo reacciones de deuterio. Sea como fuere, la principal fuente de energía de estos objetos viene de la contracción gravitatoria que los calienta, produciendo la mayoría de la radiación que emiten, mayoritariamente en el infrarrojo. Comparados con los planetas suelen ser mucho más masivos, con masas entre 10 y 70 MJup, aunque no suelen ser mucho mayores en tamaño que Júpiter. Son, por tanto, muchísimo más densos que los planetas gaseosos.

Un enana marrón tiene un tamaño similar al de Júpiter pero puede llegar a ser decenas de veces más masiva. Su densidad y su gravedad en la superficie pueden llegar a ser mucho más elevadas. (Fuente: NASA/JPL Caltech)

Parece razonable pensar en la existencia de exoplanetas terrestres orbitando en torno a enanas marrones. Han sido observados discos circunestelares orbitando alrededor de enanas marrones jóvenes. Aunque solo se acretase una reducida porción del disco es más que suficiente para formar planetas del tamaño de supertierras. Además, observaciones de microlente han permitido anunciar el hallazgo de planetas en torno a enanas marrones.

Teóricamente la formación de planetas en una enana marrón no debe ser menos frecuente que en torno a una estrella del tipo solar. La diferencia está en que serán sistemas planetarios más compactos, coplanares, formados por planetas más pequeños, terrestres y en cierto modo similares a los sistemas de satélites en los gigantes gaseosos de nuestro Sistema Solar. Todos ellos sin excepción, como sabemos, tienen satélites.

La principal diferencia entre una enana roja y una enana marrón reside en que esta está sustancialmente menos caliente. Como consecuencia, la Zona Habitable está mucho más cercana en las enanas marrones. De hecho, los periodos orbitales en la Zona Habitable suelen ser de ¡1 ó 2 días o incluso horas!.

Esta situación tiene consecuencias interesantes. Una de ellas es que es mucho más probable que un planeta en la Zona Habitable produzca tránsitos en las enanas marrones. Además, los tránsitos son más profundos y se producen más a menudo, Ideales por tanto para un estudio atmosférico detallado.

Todo esto está muy bien, pero, ¿puede un planeta ser habitable en torno a una enana marrón?

Uno de los efectos en el planeta es que se produciría un acoplamiento de marea, con cero oblicuidad. Si la atmósfera no distribuye adecuadamente el calor, tanto los polos como la zona del planeta eternamente en sombras estarían cubiertos por casquetes de hielo. Este efecto, que también se produce a veces en los planetas que orbitan en enanas rojas, sería inevitable en la zona habitable de una enana marrón.

La Zona Habitable se acerca a la enana marrón con el tiempo, según el cuerpo se va enfriando. Al final, llega al límite de Roche y no hay habitabilidad posible por el calentamiento de la luz del planeta. Por suerte, hay otras fuentes de energía disponibles. (Fuente: Bolmont et al. 2011)

Otro efecto es que la energía de emisión de la enana marrón proviene de la contracción gravitatoria del objeto. Como este efecto es cada vez menos intenso la emisión de la enana marrón se va atenuando con el tiempo y, como consecuencia, la Zona Habitable (esa región del sistema en la que el planeta puede mantener mares de agua en su superficie y que depende de la irradiación del cuerpo luminoso), cada vez se va acercando más y más a la enana marrón. La consecuencia es interesante: la habitabilidad derivada de la irradiación de la enana cambia en el tiempo, ¡un planeta se mantendría habitable sólo mientras permanece temporalmente  dentro de la cambiante Zona Habitable!:

• Esto quiere decir que al principio de la formación del sistema planetario, el planeta queda fuera (por el interior) de la Zona Habitable y sufre un periodo de calentamiento intenso, haciendo frente a un serio peligro de desecación por pérdida de su agua, como al parecer ha ocurrido en Venus. Pero el Sol es distinto de una enana marrón y mientras el primero emite radiaciones que pueden realizar fácilmente la fotolisis del agua, con el posterior escape del hidrógeno (más ligero) al espacio, no está claro que las enanas marrones durante su juventud puedan producir estas energéticas radiaciones. En este caso, el agua podría sobrevivir en forma de vapor de agua en la atmósfera.

• Posteriormente, se encuentra dentro de la Zona Habitable (durante unos cientos de millones de años) en la que, si en el periodo previo no ha perdido todo su agua, tiene alguna posibilidad de albergar mares de superficie.  

• Al final del periodo el planeta queda fuera de la Zona Habitable (por el exterior) y el planeta teóricamente se hiela. O no. En algunos casos el planeta puede acceder a formas de energía alternativas. Si el planeta estuviera acompañado de otros planetas (esto no es improbable) afectarían a su excentricidad. Por pequeña que fuera la alteración en la excentricidad sería suficiente en un campo con un gradiente gravitatorio tan elevado. El resultado sería un calentamiento similar al de Europa o IO, las lunas de Júpiter. De hecho, la intensa gravedad de las enanas marrones en su Zona Habitable podría conducir fácilmente a un efecto invernadero descontrolado a los planetas por reducida que fuera su excentricidad. 

Si las enanas marrones son objetos intermedios entre las estrellas y los planetas gigantes gaseosos, su habitabilidad será un compromiso entre los efectos que predominan en unos y otros. La habitabilidad de las estrellas como el Sol viene de la radiación que calienta los planetas terrestres, la habitabilidad de las lunas de Júpiter viene del calentamiento originado por los efectos de marea.

En resumen, aunque este complejo asunto de la habitabilidad de las enanas marrones está lejos de ser entendido en su totalidad, a priori no parece que un planeta tuviera fácil mantener agua líquida en su superficie.

Imágenes de Gliese 229 B, una de las primera enanas marrones conocida. (Fuente: NASA)

2004. Andreeshchev y Scalo inician los estudios de habitabilidad de las enanas marrones mostrando que el clásico concepto de Zona Habitable se movería y que el planeta sólo permanecería dentro por unos cientos de millones de años.

http://adsabs.harvard.edu/full/2004IAUS..213..115A

2011. Bolmont, Raymond y Leconte incluyen conceptos más complejos asociados a los efectos de marea. Se define el radio de corrotación como el que tiene el periodo orbital igual al periodo de rotación de la enana marrón. Los planetas exteriores al radio de corrotación migrarían hacia afuera, y hacia adentro los que queden por dentro de dicho radio. A su vez, como la rotación de la enana aumenta con el tiempo (a diferencia de las estrellas) el radio se reduce en el tiempo, habiendo planetas que migran hacia adentro y luego hacia afuera.

https://arxiv.org/abs/1109.2906

2012. Barnes y Heller estudian los diversos efectos que afectan a los cuerpos que orbitan en torno a las enanas marrones y enanas blancas.

https://arxiv.org/abs/1211.6467

2013. Belu et al. estudian las posibilidades de detectar los tránsitos de un planeta en la zona de habitabilidad de una enana marrón. Además, el estudio de su atmósfera y sus biomarcadores sería una tarea abordable para los más cercanos.

https://arxiv.org/abs/1301.4453

2013. Demory et al. analizan las posibilidades del K2 para detectar planetas terrestres orbitando en enanas marrones.

https://arxiv.org/abs/1309.1078

Un artículo de Sean Raymond en su blog.

https://planetplanet.net/2014/10/09/real-life-sci-fi-world-4-earth-around-a-brown-dwarf/