Cuando el JWST o los telescopios extremadamente grandes empiecen a estudiar las primeras atmósferas terrestres en zonas templadas se buscará sobre todo la marca del oxígeno. Habrá, no obstante, que ser cauto porque hay muchos fenómenos que pueden producir oxígeno abióticamente, es decir, sin la presencia de seres vivos.
Analizar la posibilidad de vida en un planeta no es un trabajo fácil. De hecho, aún no tenemos clara la cuestión de Marte, en donde los análisis aún sugieren encendidos debates sobre el metano atmosférico, entre otros. Y eso en un planeta que, como quien dice, está a la vuelta de la esquina. Tanto más difícil será la cuestión en un planeta situado a años luz de aquí.
El oxígeno (O2). Buena señal.
El oxígeno atmosférico es considerado un fuerte indicio de vida (es decir, una biofirma), porque en la historia de la Tierra la vida ha sido la fuente dominante de este gas. El oxígeno atmosférico es inestable y necesita una fuente activa que lo reponga continuamente. Otra fuente distinta de la vida podría venir por la fotólisis de moléculas portadoras de oxígeno, pero la distribución de la emisión de rayos ultravioletas del Sol no justificaría la cantidad presente en nuestra atmósfera (>20%).
El ozono (O3). Buena señal.
Lo sabéis todos. En la Tierra el oxígeno viene acompañado de ozono. Los rayos ultravioletas fotodisocian las moléculas de oxígeno convencional con el resultado de la formación de ozono en las capas altas de la atmósfera. El ozono junto al oxígeno convencional forma una suerte de escudo protector que absorbe eficientemente los rayos ultravioletas más duros protegiendo a los seres vivos que vivimos en la superficie terrestre. Su concentración global es de 0,6 ppm. Su presencia en la atmósfera es un fuerte indicador de oxígeno O2.
Pares de Oxígeno (O2-O2). Mala señal, sin duda.
Los pares de oxígeno son el resultado de breves colisiones entre dos moléculas de oxígeno. Estas configuraciones como los dímeros formados por fuerzas de Van der Waals permiten deducir la presión del oxígeno en una atmósfera.
Durante el prolongado periodo previo a la entrada en la secuencia principal de las enanas rojas estas mantienen un flujo de irradiación muy elevado que deshidrata los planetas. El agua (H2O) se evapora alcanzando las capas altas de la atmósfera, y luego, la emisión de rayos X y UV rompe la molécula. El hidrógeno es ligero y escapa fácilmente de la estratosfera, quedando solo el oxígeno. Este proceso elimina el agua del planeta y puede llegar a ser masivo, produciendo una presión atmosférica elevada de oxígeno totalmente abiótico. En estas condiciones, de alta presión del oxígeno pueden llegar a detectarse estos pares, que son un claro indicio de oxígeno abiótico.
Nitrógeno (N2) y Pares de Nitrógeno (N2-N2). Buena señal, claro que sí.
En la Tierra hay lo que se denomina “trampa fría”, que no es sino un capa intermedia de la atmósfera que está fría. Cuando el agua se evapora en las capas bajas, se eleva hasta llegar a la “trampa fría” donde se condensa y termina precipitando. Lo importante es que no sigue ascendiendo, no alcanzando las capas altas de la atmósfera, donde, como el agua es muy escasa, se pierde poquísima por fotólisis y escape. De esta manera, la Tierra aunque es rica en agua pierde muy poca. Este mecanismo ya vimos en el párrafo anterior que producía oxígeno abiótico.
El principal causante de esta beneficiosa “trampa fría” no es otro que tener una buena atmósfera de Nitrógeno, pero esta molécula no es activa espectroscópicamente, es decir, es muy difícil de detectar. Sin embargo, cuando el nitrógeno alcanza cierta presión forma pares N2-N2 que sí se pueden detectar, pares formados por breves colisiones entre las moléculas. Es decir, cualquiera de estas dos especies en presencia de oxígeno es una fenomenal noticia. El único handicap es que el N2 es virtualmente indetectable y que el N2-N2 tiene una línea de absorción de 4,3 µm en el infrarrojo fácilmente confundible con la del CO2.
El metano (CH4). Buena señal.
Otra de las especies de la atmósfera terrestre es el metano. Este compuesto es inestable en una atmósfera rica en oxígeno y está fuera de equilibrio. Para entender su presencia es necesario que haya algún mecanismo que continuamente reponga el metano que se elimina vía reacciones redox. En la Tierra ese mecanismo es la vida. Su presencia en una atmósfera junto con oxígeno u ozono es una biofirma robusta. Es lo que detectó Carl Sagan en la Tierra en 1990 utilizando la sonda Galileo.
Monóxido de Carbono (CO) o Dióxido de Carbono (CO2). Mala mala señal.
La producción de cantidades estables de oxígeno y ozono por la fotolisis del Dióxido de Carbono depende de la estructura de la pendiente de la radiación ultravioleta. Cuando opera (teóricamente debería ocurrir en las enanas rojas), este efecto origina la producción de Monóxido de Carbono y Oxígeno abiótico. Detectar estos gases junto Oxígeno u Ozono será una mala señal cuando se estudien planetas en la Zona Habitable de las enanas rojas.
Bueno, y ahora mostramos la estrategia de búsqueda de vida que quizá se siga cuando nos enfrentemos al análisis de la primera atmósfera terrestre.
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| Gráfico mostrando los posibles pasos a dar para evitar los traicioneros Falsos Positivos del Oxígeno, antes de poder celebrarlo y descorchar la botella de "Champagne". Como podemos ver la ubicación en la Zona Habitable y que sea rocoso es solo el principio (Rocky, HZ). Hasta el momento solo hemos llegado a realizar espectros de baja resolución de cuerpos más o menos rocosos en zonas más o menos templadas. O4 son los pares O2-O2. (Fuente: El astrobiólogo Domagal-Goldman, 2016). |
2013. Feng Tian muestra que los planetas de las estrellas en las que predominan los rayos ultravioleta lejano sobre el ultravioleta cercano (tipo M) pueden desarrollar con facilidad oxígeno abiótico a partir del agua o de dióxido de carbono.
2013. Amit Misra nos enseña cómo medir la presión del oxígeno en una atmósfera mediante los dímeros O2-O2.
2014. Robin Wordsworth y Raymond Pierrehumbert muestran como una atmósfera débil de nitrógeno puede carecer de la “trampa fría” permitiendo que el agua alcance las capas altas de la atmósfera y generando oxígeno abiótico.
2014. Luger y Barnes muestran que la calurosa y prolongada juventud de las enanas rojas (a diferencia del “Sol débil” aquí podemos hablar de la “enana fuerte”) puede deshidratar completamente un planeta en su Zona Habitable, dejándolo con una densa cubierta de oxígeno totalmente abiótico.
2015. Schwieterman muestra las posibilidades de detectar nitrógeno en la atmósfera de un planeta a pesar de las dificultades de identificar nitrógeno en su espectro.
2015. Harman realiza un ameno repaso de los principales falsos positivos del oxígeno. El autor muestra que este tipo de engaños del oxígeno son poco probables en estrellas tipo F, G (como el Sol), siendo más probables en las estrellas K y, sobre todo, en las más pequeñas (tipo M).
2016. Schwieterman y Meadows proponen un método para identificar los llamados “impostores”, es decir, los falsos positivos. Señales de oxígeno que resultan tener un origen abiótico.
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