El preludio de la vida (5): Exoatmósferas y la búsqueda de vida extraterrestre

Hasta hace pocos años la detección de exoplanetas (los planetas orbitando otras estrellas que nuestro sol) era imposible. Ahora, desde 1995, no sólo somos capaces de detectar exoplanetas (de hecho, ya conocemos más de tres mil), sino que estamos desarrollando las técnicas para estudiar estos planetas en más detalle. En este post veremos cómo somos capaces de decir algo sobre las atmósferas de los exoplanetas, y cómo estamos encaminados hacia el santo grial de la astrobiología: la detección de vida extraterrestre.

En los últimos posts vimos cómo el universo está repleto de planetas: la mayoría de las estrellas tienen uno o más planetas orbitando alrededor de ellas. Nos interesan estos exoplanetas por la posibilidad de que se haya desarrollado alguna forma de vida en ellos. Intentaremos mantener la visión amplia, pero obviamente estamos enfocados hacia el tipo de vida que mejor conocemos, la terrestre, basada en moléculas cuyo elemento principal es el carbono y que utiliza el agua como solvente. Por lo tanto estamos buscando planetas que se parezcan a nuestra tierra, en términos de composición, tamaño, atmósfera, y disponibilidad de agua líquida. Veamos qué sabemos al respecto de este tipo de exoplanetas.

¿Somos solos en el universo?

Al escuchar hablar de vida extraterrestre, algunos tal vez se recordarán de la película “E.T.” de Spielberg (1982), o la serie televisiva “Star Trek” (Viaje a las Estrellas). Otros pensarán en los OVNIs que estaban bastante de moda en el siglo pasado. También existe el clásico de H.G. Wells “La guerra de los mundos” (1898), llevada a la radio en 1938 por el futuro cineasta Orson Welles causando un pánico generalizado entre la población que pensaba que la tierra estaba de verdad siendo invadida por extraterrestres. Pero todo esto es ciencia ficción, y en este blog nos interesa más la ciencia que la ficción.

En una vena más seria, destaquemos la búsqueda que mediante radiotelescopios se está realizando, ya desde varias decenas de años, de señales que nos pudieran estar llegando de civilizaciones en otras partes de la galaxia. Primero fue el radiotelescopio de Arecibo (Puerto Rico) que se dedicó a esta tarea, y ahora es el programa SETI el que continúa la búsqueda – en la que se invita a todos participar[1]. SETI está direccionando sus radiotelescopios a estrellas de las cuales sabemos que tienen exoplanetas, esperando que, si en alguno de estos se encuentra una civilización parecida a la nuestra que usa ondas radio para la transmisión de mensajes, podamos captar estos mensajes. No lograríamos descifrarlos, pero por lo menos nos indicarían la presencia de alguna forma de vida inteligente fuera de nuestra tierra.

Hasta la fecha no se ha encontrado ningún indicio de una civilización extraterrestre[2], aunque se haya estimado, utilizando la llamada “ecuación de Drake” (ahora refinada mediante ecuaciones más sofisticadas[3]), que pudiera haber unos miles de civilizaciones en nuestra galaxia capaces de transmitir mensajes por radio[4]. Otro estimado arrojó una probabilidad de 92% de que nuestra civilización no es la única en el universo[5]. Pero hasta ahora hubo sólo algunos falsos alarmas, tales como una señal extraña que resultó ser de un horno microondas en las cercanías del observatorio[6]. Otras señales anormales están en vías de ser explicadas[7].

Esto no quiere decir que no haya otras civilizaciones en el universo. Pero parece que las civilizaciones que puedan existir probablemente no generan señales electromagnéticas con suficiente energía para ser detectadas por nosotros (para que las podamos detectar, tienen que tener una energía varias magnitudes más grandes que el conjunto de las señales electromagnéticas que estamos emitiendo nosotros, los humanos)[8]. De haber otras civilizaciones, tampoco serían capaces de viajar entre las estrellas ya que, si tuvieran esta capacidad, habríamos notado ya su existencia[9].

En 2016 se reportó una reducción extraña de la luminosidad de la estrella de Tabby, que, según algunos sugirieron, pudiera ser causada por la presencia de una megaestructura construida por alguna civilización extraterrestre[10]. Pero se ha podido explicar este fenómeno de manera más convencional, sin invocar a seres vivientes[11].

Sin embargo, la posibilidad de vida extraterrestre está siendo tomada en serio por unas cuantas personas y organizaciones. Entre las organizaciones, cabe resaltar la Iglesia Católica, cuya Academia de Ciencias Pontifical organizó en 2009 una semana de estudios sobre astrobiología[12]. Entre las muchas personas, me limito al conocido astrofísico Stephen Hawking. En una conferencia que dio en 2008 sobre la vida en el universo, Hawking planteó que la existencia de algún tipo de vida no inteligente en otros planetas es muy probable, pero la de vida inteligente es muy incierta (algunos dirían que es incierta inclusive en la tierra, considera Hawking)[13].

De hecho, la aparición de vida en otros planetas, por poco probable que sea, tal vez no es un fenómeno tan raro. Y, si la vida logra aparecer, es posible que se desarrolla con cierta facilidad[14]. Lo que sí puede ser difícil, es que las condiciones en un planeta con algún tipo de vida sencilla se mantengan idóneas durante suficiente tiempo para que esta vida pueda desarrollarse y aparezcan organismos complejos e inteligentes. La misma vida, por cierto, puede ayudar a mantener condiciones apropiadas para que la vida pueda desarrollarse: a esto se refiere la hipótesis de Gaia, según la cual el conjunto de los organismos en un planeta crea condiciones adecuadas para su propia permanencia. Si esta hipótesis tiene validez (de eso hablaremos en algún post futuro), se pudiera plantear que hasta el momento que la vida en un planeta sea lo suficiente desarrollada para influir en su entorno, esta corre mayor riesgo de desaparecer en cuanto se deterioren las condiciones en el planeta[15].

Pero volvamos a los exoplanetas. ¿Qué información acerca de la posible presencia de vida extraterrestre nos proporciona el estudio de los mismos?

La atmósfera de los exoplanetas

Por inimaginable que parezca, somos ahora capaces de estudiar las atmósferas de los exoplanetas – las exoatmósferas. Esto nos permite determinar la presencia de gases que pudieran indicarnos la presencia de vida.

Tal como vimos en los posts anteriores, no somos capaces de ver la gran mayoría de exoplanetas: deducimos su presencia utilizando mediciones sofisticadas. Entonces, ¿cómo podemos estudiar sus espectros y atmósferas?

Inicialmente, cuando se empezó a detectar la presencia de exoplanetas, sólo se tenía información sobre los tamaños y/o las masas de estos planetas, lo que al máximo permitía decir algo sobre la presencia de una atmósfera, poco más. Pero se pudo deducir, por ejemplo, que planetas con un diámetro de más de tres veces el de la tierra probablemente tienen un manto atmosférico espeso y dominado por helio[16].

Blog 1704XX - Preludio de la vida 5 - espectro planetario

Pero ahora contamos con metodologías más sofisticadas. Se basan en el hecho que los átomos y las moléculas de gases absorben ciertas frecuencias de luz. Las frecuencias absorbidas suelen ser características del compuesto. Al estudiar el espectro de la luz que pasa por un gas (el espectro es el conjunto de frecuencias de luz provenientes de una fuente) se puede determinar cuáles son las frecuencias faltantes y así deducir cuál es la composición del gas.

Esto permite obtener información acerca de la atmósfera de los exoplanetas estudiando el espectro de la luz, visible o infrarroja, del planeta. Un planeta normalmente no emite luz (con la excepción de planetas súpercalientes, que emiten luz infrarroja), pero refleja, o transmite, la luz de su estrella. Es posible captar la luz estelar que haya pasado por la atmósfera de un exoplaneta que, visto desde la tierra, pasa en cada órbita frente a (y detrás de) su estrella. La técnica más comúnmente utilizada, llamada de espectroscopia de transmisión o de tránsito, consiste en comparar el espectro visible de la estrella sin el planeta (que se obtiene cuando este se encuentra detrás de la estrella) con el espectro de la estrella con el planeta (que se obtiene cuando la estrella y el planeta están, vistos desde la tierra, una al lado del otro; ver la figura). La diferencia entre los dos espectros, que es mínima pero aun así detectable, es el espectro de la luz del planeta. De esta manera se logra obtener información sobre las atmósferas de los exoplanetas en cuanto no sólo su composición se refiere, sino también su espesor, su densidad y su nubosidad[17]. Esta técnica funciona en principio para todo tipo de estrella, pero en el caso de exoplanetas terrestres funciona mejor para las estrellas pequeñas, o sea las enanas[18].

También es posible detectar, justo antes que el planeta se oculte detrás de la estrella (o justo después de que vuelva a aparecer) el brillo del planeta: la luz de la estrella reflejada por el planeta, o – si el planeta es muy caliente – radiación (luz infrarroja) emitida por el mismo planeta. Esto se llama la espectroscopia de ocultación o de emisión; permite obtener información no sólo acerca del tamaño y la temperatura del planeta[19], sino también sobre su atmósfera y el color de la misma[20].

Asimismo, es posible obtener información sobre la atmósfera de los exoplanetas visibles mediante detección directa, o sea, que podemos ver como puntos luminosos al lado de su estrella[21]. De esta manera se ha podido caracterizar, por ejemplo, la atmósfera del planeta gaseoso 51 Eri b, que resultó ser muy parecido a Júpiter, con una atmósfera dominada por metano, con vapor de agua[22].

Los gases que más comúnmente se encuentran en las exoatmósferas, incluyen algunos que contienen carbono, tales como el metano (CH4). El carbono también puede ocurrir enlazado con oxígeno: como monóxido o dióxido de carbono (CO y CO2, respectivamente). El hidrógeno es otro elemento común; ocurre a veces en forma molecular (H2) pero normalmente enlazado con oxígeno para formar agua (H2O), o con nitrógeno formando amoníaco (NH3). Mientras que el oxígeno generalmente se encuentra enlazado con hidrógeno o carbono, y a veces en forma molecular (O2).

Para saber cuáles moléculas son las esperadas en una exoatmósfera se ha realizado modelados químicos que arrojaron, entre otras cosas, algunas “reglas” simples. Por ejemplo, en una atmósfera con carbono, este ocurre principalmente como metano (CH4) a temperaturas bajas, y como monóxido de carbono (CO) a temperaturas altas. Nitrógeno ocurre como amoníaco (NH3) en atmósferas frías, y en forma molecular (N2) en atmósferas algo más calientes, como la de la tierra. El vapor de agua es más común que metano en atmósferas con más carbón que oxígeno, y viceversa[23]. En atmósferas calientes, dominadas por hidrógeno, el dióxido de carbono (CO2) es normalmente menos abundante que CO [24].

Además de estos compuestos “básicos”, se ha detectado la presencia de otras moléculas, pero generalmente en cantidades pequeñas. Por ejemplo, en la atmósfera del exoplaneta HD 189733 b (que al ser un “Júpiter caliente” tiene una masa y tamaño parecido al planeta Júpiter, pero una temperatura de hasta más de 3000°C por encontrarse muy cerca de su estrella) se ha detectado la presencia de metano, vapor de agua, CO y CO2. Además se ha detectado sodio ionizado, y silicato de magnesio (MgSiO3) condensado[25]. El espectro del sodio permitió determinar que la atmósfera del planeta es muy turbulenta, con grandes variaciones en temperatura y fuertes vientos, con velocidades de posiblemente hasta más de 10.000 km/h[26]. El planeta tiene una nubosidad importante; las nubes, que se forman en su mayoría en la parte fría del planeta, consisten, según los resultados de un modelado, de partículas de silicato de magnesio y óxidos de sílice y titanio, de tamaños y concentraciones variables[27]. Todo esto hace que este exoplaneta es uno de los que mejor se conocen – lástima que, por las temperaturas tan altas y tratarse de un planeta gaseoso, no lo podemos considerar habitable.

Otro exoplaneta muy estudiado es HD 209458 b, llamado informalmente Osiris. Osiris es un “Júpiter caliente” también, tan cercano a su estrella y tan caliente (2000°C) que inclusive se está evaporando: está perdiendo gases de su atmósfera. En esta atmósfera se ha detectado la presencia de vapor de agua, metano, y monóxido y dióxido de carbono, mientras que el principal componente es hidrógeno (H2) tal como es el caso en el planeta Júpiter. También se ha detectado sodio y potasio ionizados, así como silicatos. De nuevo, se trata de un exoplaneta demasiado caliente para que haya vida, pero demuestra qué somos capaces de detectar ya con la tecnología actual[28].

Del planeta gaseoso GJ 3470b, del tamaño de Neptuno, se ha podido determinar que tiene una atmósfera azul, lo que normalmente indica la presencia de metano (la atmósfera terrestre es de un color azul distinto, más pálido). Pero los gases dominantes son probablemente el hidrógeno y el helio, y el manto atmosférico es muy espeso, representando un 10% de la masa total del planeta[29]. El enriquecimiento proporcional del helio puede ser causado por la pérdida de hidrógeno, que es más liviano que el helio, a raíz del calentamiento de la atmósfera del planeta por la cercanía de la estrella[30]. Otro “Neptuno caliente” cuya atmósfera pudo ser estudiada, es GJ 436b. Por la temperatura del exoplaneta, de unos 530°C, los investigadores esperaron encontrar mucho metano, con algo de monóxido de carbono (CO). Pero, mientras que se encontró CO, se halló muy poco metano. Hasta la fecha no se sabe bien por qué[31].

Es más fácil estudiar las atmósferas de los planetas grandes, especialmente aquellos cercanos a sus estrellas, que las atmósferas de los planetas más pequeños, los rocosos. Sin embargo, los últimos adelantos tecnológicos nos permiten analizar también las atmósferas de este tipo de planetas, que son las que mejor probabilidad tienen de albergar vida. Desafortunadamente, los primeros planetas rocosos estudiados tienen un espectro con pocos rasgos distintivos, posiblemente por ausencia de una atmósfera pero más probablemente por la presencia de un espeso manto de nubes, tal como parece ser el caso del exoplaneta HD 97658b[32]. La súper-tierra GJ 1214b, una de las más estudiadas, tiene un espectro sin rasgos distintivos, probablemente por la presencia de nubes o niebla, con una composición salina[33]; pero parece que su atmósfera está dominada por gases pesados: vapor de agua y, por ejemplo, nitrógeno (aunque no se puede descartar por completo una atmósfera dominada por hidrógeno). Este dato, conjuntamente con los valores que se determinaron para la masa y el tamaño del exoplaneta, hace suponer que este no es un planeta rocoso, sino acuático (ver el primer post de esta serie, del 3 diciembre 2016)[34].

De dos súper-tierras calientes sí se pudo detectar la presencia de una atmósfera sin mucha nubosidad. El planeta GJ 1132 b tiene una atmósfera con vapor de agua y/o metano[35]; mientras que 55 Cancri e tiene probablemente una atmósfera dominada por hidrógeno y helio, sin traza de agua. La presencia de carbono en la atmósfera pudiera indicar la presencia de compuestos orgánicos, pero por su temperatura alta este planeta no parece ser habitable[36]. Además, cambios periódicos en la temperatura de la cara del planeta que mira a la estrella (que varía de 1000 a 2700°C) sugieren la ocurrencia de ciclos de actividad volcánica[37].

Los planetas TRAPPIST-1b y 1c, a los que ya hicimos referencia en los dos posts anteriores, son del tamaño de la tierra. Sus espectros de transmisión indican que sus atmósferas probablemente son bastante densas – tal vez despejadas y ricas en agua, o nubladas y más bien parecidas a Venus[38].

La nubosidad de los exoplanetas puede fluctuar. Mientras que ciertos planetas son cubiertos completamente por un denso manto de nubes, otros tienen una nubosidad variable. En el caso de algunos exoplanetas se pudo determinar, con base en cambios de su brillo, que las nubes se forman principalmente durante la noche, y que son transportadas por vientos fuertes a la zona iluminada del planeta, donde durante la mañana se disipan al calentarse la atmósfera[39].

Agua

Dada la importancia del agua para el desarrollo y la permanencia de la vida terrestre, es muy relevante intentar detectar su presencia en los exoplanetas potencialmente habitables. Además, la presencia o no de agua en un planeta ofrece indicios acerca de cómo este se formó: si el mecanismo de formación fue por un crecimiento paulatino del núcleo del planeta, o si se dio por el colapso del disco protoplanetario, debido a inestabilidad gravitacional: en el primer caso se espera en la atmósfera una relación carbono/oxígeno más alta y cantidad de agua más grande que en el segundo caso[40].

La detección de agua se puede realizar, en primer lugar, mediante el análisis de los gases en la atmósfera, tal como vimos arriba. En varios exoplanetas se ha detectado la presencia de vapor de agua en la atmósfera: aparte de los planetas arriba mencionados, destacan el planeta 51 Pegasi b, del tipo “Júpiter caliente” y prácticamente el primer exoplaneta que se identificó[41]; y en el planeta HAT-P-11b, que tiene el tamaño de Neptuno y cuenta con un espeso manto atmosférico y, probablemente, un núcleo rocoso[42].

Cuando se empezó a medir la cantidad de agua en las exoatmósferas, se encontró en varios casos menos agua de lo esperado, lo que acarreaba inconsistencias con respecto al más probable proceso de formación de esos planetas[43]. Pero se determinó que la presencia de nubes puede ocultar el agua en la atmósfera, de manera que en el caso de planetas con importante nubosidad la señal de agua se mantiene débil, aun cuando la atmósfera contiene mucha agua[44].

En segundo lugar, se puede buscar indicios para la existencia de océanos en los exoplanetas. Un método ingenioso para identificar la presencia de un océano, es buscar el centelleo de la luz de la estrella que cae en las olas de un posible océano y es reflejada en nuestra dirección – así como vemos, durante un atardecer en la playa, la luz de nuestro sol reflejada en el mar. Tal centelleo puede indicarnos la presencia de agua líquida en el exoplaneta – aunque puede haber explicaciones alternativas, tales como la presencia de hielo en las regiones polares[45]. Pero una prueba realizada con una sonda espacial observando la tierra desde la luna mostró que es posible detectar el centelleo de la luz del sol en las olas desde el espacio[46]. También pudiera ser posible utilizar el fenómeno de que la luz reflejada es polarizada, y que la polarización depende de la superficie reflectora, para detectar océanos en planetas lejanos[47].

Otro método para determinar si es posible que un exoplaneta tenga mucha agua, es ir a la fuente: los cometas. Según las teorías actuales, mucha del agua presente en la tierra fue traída por asteroides y cometas compuestos de una mezcla de hielo y roca que impactaron en nuestro planeta cuando todavía era joven. De ser así, se pudiera estimar la probabilidad de que un exoplaneta rocoso tenga océanos determinando si hay un cinturón de asteroides o cometas alrededor de la estrella de ese planeta. Puede ser útil la presencia de algún planeta gigante (tipo Júpiter o Saturno) que actúe sobre ese cinturón y desvíe asteroides y/o cometas hacia la zona interna del sistema solar, donde estarían los exoplanetas potencialmente habitables que recibirían agua mediante los impactos de estos asteroides y cometas[48].

Por cierto, no es necesario que un exoplaneta tenga mares para que sea habitado por alguna forma de vida que depende del agua. Con tal que exista agua subterránea, hasta un planeta árido, desértico, parecido al planeta Dune de la novela clásica de Frank Herbert, puede tener formas de vida. Inclusive es posible que este planeta no esté dentro de la zona de habitabilidad de la que hablamos en el post anterior: aunque la superficie del exoplaneta sea demasiado fría para el desarrollo de formas de vida, en el subsuelo la temperatura es mayor y puede haber condiciones propicias para que exista alguna forma de vida[49].

Energía

Todos los ingredientes para el desarrollo de la vida son inútiles sin la disponibilidad de una fuente de energía que permita que ocurran los procesos vitales dentro de los organismos. En la tierra, la mayoría de los organismos aprovechan, de manera directa o indirecta, la luz del sol mediante el proceso de fotosíntesis. En la ausencia de luz, se puede utilizar el calor geotérmico para hacer posible las reacciones químicas que les proporcionan energía a los organismos. En los exoplanetas, algún tipo de fotosíntesis es posible aun si reciben poca luz de su estrella; mientras que hay varias posibles fuentes de calor, tales como la desintegración radioactiva en el interior del exoplaneta, o las fuerzas de mareas que pueden generar calor, tanto en exoplanetas como exolunas[50].

Detectar la vida

¿Se podría detectar desde el espacio la vida terrestre? ¿Cuáles gases presentes en la atmósfera de nuestra tierra son bioindicadores, o sea, apuntan a la presencia de vida? El oxígeno es obviamente el primer candidato, puesto que el alto porcentaje de este elemento en la atmósfera terrestre se debe en gran medida a la acción del conjunto de organismos vivientes. Un observador en un planeta lejano pudiera estudiar la composición de la atmósfera de la tierra y concluir que los gases que componen son indicadores de la presencia de algún tipo de vida que produce oxígeno.

De la misma manera podemos nosotros estudiar las atmósferas de otros planetas y, con base en el análisis de sus composiciones, determinar cuáles pudieran tener vida. Este estudio está recién arrancando y todavía no se ha obtenido indicios de vida extraterrestre, pero los astrobiólogos están bien encaminados en su búsqueda. Veamos en cuáles gases atmosféricos se están apoyando.

El espectro de transmisión de la atmósfera terrestre, según se logró determinar de manera ingeniosa (estudiando, durante un eclipse lunar, las frecuencias de la poca luz reflejada por la luna – luz que necesariamente pasó por la atmósfera terrestre antes de alcanzar la luna), muestra la presencia de varios gases: oxígeno – incluyendo ozono (O3) y la combinación de dos moléculas de oxígeno, (O2)2 –, nitrógeno, CO2, metano, y agua[51]. Si se encontraría en un exoplaneta estos gases, especialmente los que normalmente no ocurren juntos, tales como metano y oxígeno, se pudiera inferir la probable presencia de vida.

Para la búsqueda de vida extraterrestre, parecida a la que tenemos en nuestra tierra, los gases más interesantes son, aparte de los obvios tales como el oxígeno, el agua y el dióxido de carbono (CO2), los gases orgánicos: por ejemplo el metano (CH4). El metano de por sí no implica la presencia de vida, ya que es común y puede formarse de distintas maneras, pero su presencia nos indica que existen las moléculas básicas para la construcción de formas de vida de tipo terrestre. El agua tampoco es una prueba de la existencia de vida, y de hecho se ha encontrado en las atmósferas de muchos exoplanetas[52].

Oxígeno

Lo que sí pudiera sugerir la presencia de vida como la nuestra, sería la presencia de oxígeno, un gas muy reactivo que raramente ocurre libremente, a no ser que haya organismos que lo produzcan. Especialmente la combinación de oxígeno (un fuerte oxidante) y un gas reductor tal como el metano, que no ocurre en condiciones normales pero sí en la presencia de vida tipo terrestre, sería casi una prueba de la existencia de vida en un exoplaneta[53].

La presencia de oxígeno en la atmósfera de un planeta, especialmente si ocurre en un porcentaje importante, puede indicar la presencia de vida (para ser más exacto, la presencia de organismos que utilizan procesos fotosintéticos para obtener energía[54]), pero no es una prueba segura. Se ha determinado que ciertos procesos, llamados fotoquímicos, pueden resultar en la generación de oxígeno abiótico en una atmósfera a partir de agua u otras moléculas con oxígeno (también se crea hidrógeno, que es propenso de perderse en el espacio por ser tan ligero). La reacción de óxido de titanio y agua facilitada por rayos ultravioletas, por ejemplo, puede causar la creación de oxígeno en la atmósfera de un planeta[55].

Una atmósfera con este tipo de oxígeno abiótico puede ser muy densa, con una temperatura elevada; por lo tanto, tendría poca probabilidad de estar asociada con organismos vivientes[56]. Para determinar si el oxígeno en una exoatmósfera es de origen biológico o abiótico se ha propuesto utilizar el compuesto O4, que se forma por la colisión de dos moléculas de oxígeno: este compuesto es casi inexistente en la atmósfera diluida de nuestra tierra, mientras que sí ocurre en una atmósfera densa con oxígeno abiótico[57].

El planeta rocoso GJ 1132b, por ejemplo, orbita su estrella muy de cerca, a 1,5% de la distancia que separa la tierra del sol. Según un modelado realizado, tiene una atmósfera enrarecida dominada por oxígeno, con presencia de agua. Pero no hay posibilidad de vida en este planeta, cuya temperatura es tan alta que las rocas en superficie deben estar fundidas, formando un océano de magma[58].

También se determinó que en las estrellas enanas, que emiten rayos X y ultravioletas en mayor intensidad que las estrellas tipo nuestro sol, esta radiación puede causar una gran abundancia de oxígeno en las atmósferas de sus planetas, al separar el agua en estas atmósferas en oxígeno e hidrógeno. La alta concentración de oxígeno que resulta de este proceso no puede, obviamente, ser utilizada como prueba de que haya vida en estos planetas[59].

El ozono (una forma de oxígeno, con la fórmula O3) pudiera ser un indicador de vida, aunque en nuestra tierra se forma principalmente en la atmósfera, por la interacción de oxígeno con rayos ultravioletas[60]. Ha sido posible detectar desde el espacio la presencia de las pequeñas cantidades de ozono en la atmósfera terrestre, así que lo mismo tal vez se puede hacer para exoplanetas distantes[61].

Nitrógeno

El nitrógeno puede indicar la presencia de vida en un planeta. Es el elemento más abundante en la atmósfera de la tierra, y aunque su formación no se debe a procesos biológicos, sí es un elemento necesario para que se puedan desarrollar los organismos terrestres[62]. Además, su presencia es importante para densificar la atmósfera lo suficiente para que pueda existir agua líquida en la superficie de la tierra y para que el vapor de agua no llegue a la parte alta de la atmósfera donde los rayos ultravioletas la convierten en hidrógeno (que suele escaparse hacia el espacio) y oxígeno[63]. La presencia de nitrógeno en la atmósfera de un planeta lejano, si es acompañada por la de oxígeno, puede ser indicativa de vida. Es muy difícil detectar la presencia de nitrógeno utilizando la espectroscopia; pero una partícula poco común, (N2)2, o sea la combinación de dos moléculas de nitrógeno, sí se puede detectar y permite confirmar la presencia de nitrógeno[64].

Combinaciones

Ningún compuesto por si solo puede ser tomado como evidencia de vida. Por lo tanto, lo que se está planteando es que se requiere determinar qué combinación de compuestos en una exoatmósfera puede ser indicativa de vida[65].

El metano, ya se mencionó arriba, puede ser un indicador de vida, pero es un indicador ambiguo ya que se forma comúnmente mediante procesos inorgánicos[66]. Se ha propuesto que la combinación de nubes de metano (y otros compuestos orgánicos) con dióxido de carbono en una atmósfera exoplanetaria puede ser un bioindicador[67]. También puede ser un buen bioindicador la combinación de metano con oxígeno en una atmósfera: normalmente, estos dos compuestos reaccionan entre sí, de manera que de los dos el con menor abundancia desaparece. Si en una atmósfera hay presencia de ambos, debe haber formación continua de los dos, lo que sugiere la presencia de organismos que generan tanto oxígeno como metano. Esto, por lo menos, es lo que ocurre en la tierra[68].

Pero hay que tener cuidado: si se encuentran dos gases no compatibles en el espectro de un exoplaneta esto no necesariamente indica la presencia de vida: si el planeta, con oxígeno en su atmósfera, tiene una luna con una atmósfera compuesta por metano, puede darnos una señal compuesta de los dos gases, que en la realidad no ocurren juntos[69].

Colores

Nuestro hipotético observador que está estudiando la tierra desde un mundo lejano puede utilizar también otras pistas para determinar si nuestro planeta contiene vida. El color, por ejemplo.

El color azul que caracteriza la tierra vista desde el espacio puede ser tomado como evidencia de la presencia de vida. Se encontraron varios planetas azules, todos gaseosos, pero de un color azul más oscuro, mientras que el azul terrestre es más claro, de un color apropiadamente llamado celeste. Este color celeste apunta a la presencia de oxígeno y algo de ozono en una atmósfera transparente, mezclado con algo de rojo que se debe al reflejo de la luz solar en la superficie de los continentes. Así que la detección de un exoplaneta de tal color celeste pudiera indicar el hallazgo de un gemelo de la tierra, posiblemente con vida[70].

Los organismos vivientes también reflejan la luz, lo que resulta en espectros de reflexión específicos para cada tipo de organismo. Por ejemplo, los organismos fotosintéticos que son tan comunes en nuestro planeta, suelen tener un color verde, y en luz infrarroja tienen un característico color rojo; desde el espacio, los satélites pueden estudiar la vegetación terrestre en luz infrarroja, y un observador ubicado en un mundo lejano pudiera, en teoría, identificar de esta misma manera la presencia de organismos en la tierra. Pero es posible que los hipotéticos organismos en otros planetas obtengan su energía de otras maneras, y que por ende tengan otros colores. Por lo tanto se ha determinado cuáles son los colores típicos de una variedad de microorganismos terrestres pigmentados, incluyendo organismos no fotosintéticos. La idea es que, si la superficie de un exoplaneta es cubierta en parte por colonias de microorganismos parecidos, el espectro del planeta incluiría sus colores típicos. Esto nos permitiría determinar que el planeta probablemente tiene ciertos tipos de organismos vivientes[71].

Probabilidad de vida compleja

¿Cuán probable es que en alguno de los exoplanetas detectados hasta la fecha se haya desarrollado vida con cierta complejidad, organismos que sean visibles con el ojo desnudo? Para cuantificar esta probabilidad, utilizando parámetros cuyos valores somos capaces de estimar con las tecnologías actuales, se ha desarrollado el Índice de Complejidad Biológica, conocido como BCI por su nombre inglés. Este índice se basa en la valoración de un planeta (o luna) en términos de temperatura, substrato (si es rocoso, líquido o gaseoso), geofísica (especialmente la densidad del planeta), química, fuente de energía, distancia de la estrella, y edad. Los valores del BCI más altos fueron calculados para los exoplanetas Gliese 581c y HD 85512b, con valores similares al de la tierra, todos cerca de 1 (los valores del índice están en un rango entre 0 y 1). Menos de 2% de los exoplanetas conocidos tienen un valor BCI mayor al de la luna Europa del planeta Júpiter, que posiblemente cuenta con condiciones propicias para el desarrollo de la vida, en un océano por debajo de una espesa capa de hielo[72].

Además, hay que considerar que nuestra tierra, la cual en la actualidad cuenta con vida supuestamente inteligente, pasó la mayor parte de su existencia hasta ahora con sólo organismos unicelulares – y la última parte, en un futuro lejano cuando el sol sea mucho más caliente y más grande que ahora, serán de nuevo los unicelulares los únicos organismos capaces de sobrevivir en el planeta[73]. Asimismo, es probable que muchos de los exoplanetas habitables que estemos observando aun no tengan vida compleja, o que la hayan tenido pero la perdieron.

Vida y variabilidad

Consideremos ahora de otra manera el fenómeno de la vida compleja. Para que pueda desarrollarse algún tipo de vida compleja en un planeta, debe ocurrir previamente un proceso de evolución, mediante el cual se formaron organismos complejos a partir de organismos más simples. ¿Qué son los ambientes en los cuales puede haberse dado tal evolución con mayor facilidad? ¿En aquellos ambientes que son ideales para la vida en términos de temperatura, disponibilidad de agua, alimentos, etcétera? ¿O tal vez no necesariamente?

Esta pregunta amerita una respuesta extensa, que nos haría desviar del hilo principal de este post. Limitémonos, pues, a hacer sólo algunas observaciones al respecto.

Primero: en la tierra hay muchos factores que pueden causar la evolución de organismos. Uno de los principales es el cambio en el entorno. Si cambia el entorno (por ejemplo, debido a variaciones climatológicas), los organismos tienen que ajustarse a su nuevo entorno, lo que causa un proceso evolucionario[74].

Segundo: la vida es un fenómeno que, en términos físicos, se encuentra entre dos extremos, en ninguno de los cuales puede prosperar: por un lado, la rigidez; y por otro, el caos. Entre estos dos extremos se encuentra una condición intermedia, donde los sistemas encuentran suficiente flexibilidad para poder desarrollarse, sin ser atados por demasiada rigidez, y sin correr el riesgo de destrucción en el caos. Los sistemas biológicos se encuentran ubicados en esta tierra intermedia, ya que necesitan flexibilidad para poder desarrollarse y evolucionar. Este concepto de la vida fue expresado por el norteamericano Stuart Kauffman, a cuya visión de la vida[75] ya hice referencia en mi post del 9 septiembre 2016.

Lo que nos interesa en el presente post es la pregunta dónde buscar vida en el universo, fuera de nuestra tierra. ¿Nos interesa buscarla solamente en aquellos exoplanetas que se encuentran en el centro de la zona de habitabilidad, lejos del límite interior y del exterior, que tengan un tamaño perfecto y una atmósfera ideal para que pueda darse la vida? ¿O es mejor no limitarnos a esos entornos estables e ideales, y buscar más bien cerca de los límites de las condiciones habitables, ya que tal vez es allí que los estímulos para el desarrollo de la vida pueden haber sido más fuertes? Tal vez sea conveniente que la zona de habitabilidad no sea demasiado estable, que más bien sea dinámica y variable[76]. Así que mejor mantengamos la mente abierta y no nos limitemos demasiado a la hora de identificar exoplanetas y exolunas que potencialmente albergan vida.

El camino adelante

La búsqueda de exoplanetas habitables con signos de vida acaba de empezar. No es probable que hallemos pronto alguna civilización extraterrestre, pero sí es posible que encontremos indicios de la presencia de vida.

¿Lograríamos encontrar vida con los métodos con los cuales contamos ahora? No será fácil: detectaremos señales que pudieran indicar la presencia de algún tipo de vida, pero que probablemente tengan un origen distinto. Por otro lado, es probable que, de haber vida en un planeta lejano, no lograremos detectarla, por falta de indicios que podamos detectar en la atmósfera o la superficie del planeta[77]. Pero hay que continuar buscando.

La búsqueda de vida extraterrestre se beneficiará de un enfoque multidisciplinario, en el cual se combinan las observaciones astronómicas de exoplanetas y exolunas con los últimos avances en las ciencias biológicas y cognitivas, así como en la teoría de la comunicación, y la nueva capacidad que tenemos de analizar grandes cantidades de datos[78].

Supongamos que un día vayamos a tener indicios que en algún planeta lejano puede haber algún tipo de vida. ¿De qué nos serviría esto? No contamos con ninguna tecnología que nos permita viajar a otras estrellas para conocer sus planetas. Pero aun así, la búsqueda de posible vida en el universo desde la tierra es útil, puesto que en este proceso estamos aprendiendo más acerca de los factores que pueden haber contribuido al desarrollo de la vida en nuestro planeta. Si queremos entender mejor cuál fue el origen de la vida en la tierra, conviene averiguar si existen otros lugares en el universo donde puede haberse dado un proceso similar.

Esto nos lleva de vuelta al tema de este blog: la evolución. El origen de la vida en la tierra es la semilla de la que arrancó la evolución, que condujo a los seres que hoy día pueblan la faz de nuestro planeta. El estudio de los exoplanetas nos proporciona información acerca de las condiciones necesarias para la aparición de la vida.

Pero, conocer el entorno en el cual puede desarrollarse la vida no es suficiente para entender cómo aparece. Por lo tanto, aun no podemos dar por concluido nuestro recorrido por el espacio. ¿Qué sabemos sobre los compuestos orgánicos en el espacio, los que forman la base de todo organismo terrestre? Pronto retomaré el hilo de esta serie, hablando de las moléculas orgánicas en el espacio que pueden ser precursores de las moléculas complejas que, por lo menos en nuestra tierra, constituyen los seres vivos.

Este post se basa en dos posts que publiqué en mi blog, ahora cerrado, “Los tiempos del cambio”.

Nota: la foto en el encabezado del post muestra un radiotelescopio investigando el universo. Crédito: Shutterstock. Fuente: https://phys.org/news/2016-09-strangers-alien-false-alarms-microwave.html.

[1]    Ver: https://setistars.org.

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[6]    Ver: https://phys.org/news/2016-09-strangers-alien-false-alarms-microwave.html.

[7]    Ravi, V. y otros, 2016. The magnetic field and turbulence of the cosmic web measured using a brilliant fast radio burst. Science. http://science.sciencemag.org/content/early/2016/11/16/science.aaf6807. Ver también: https://phys.org/news/2016-08-seti-ghz-frequency-sun-like-star.html.

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[10] Ver:  https://phys.org/news/2016-10-breakthrough-intelligent-life-weird-star.html.

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[20] Lemonick, 2013; Horner y Allison, 2016. Ver nota 17.

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[59] Tian, F., 2013. High stellar FUV/NUV ratio and oxygen contents in the atmospheres of potentially habitable planets. 45th Meeting of the American Astronomical Society’s Division for Planetary Sciences (DPS), 6-11 October 2013, Denver, Colorado, pág. 10. https://aas.org/meetings/dps45/science_program.

[60] Ver: https://en.wikipedia.org/wiki/Ozone.

[61] Robinson y otros, 2014. Ver nota 46.

[62] McKay, 2014. Ver nota 50.

[63] Wordsworth y Pierrehumbert, 2014. Ver nota 55.

[64] Schwieterman, E.W., Robinson, T.D., Meadows, V., Misra, A. y Domagal-Goldman, S., 2015. Detecting and constraining N2 abundances in planetary atmospheres using collisional pairs. The Astrophysical Journal, 810 (1), 57. http://iopscience.iop.org/article/10.1088/0004-637X/810/1/57/pdf.

[65] Witze, A., 2016. How to hunt for alien life. Nature, 535, 474-475. www.nature.com/polopoly_fs/1.20327!/menu/main/topColumns/topLeftColumn/pdf/535474a.pdf.

[66] Lemonick, 2013. Ver nota 17.

[67] Arney, G. y otros, 2016. The pale orange dot: The spectrum and habitability of hazy Archean Earth. Astrobiology, 16 (11), 873-899. http://online.liebertpub.com/doi/pdfplus/10.1089/ast.2015.1422.

[68] Carter y otros, 2015. Ver nota 47.

[69] Rein, H., Fujii, Y. y Spiegel, D.S., 2014. Some inconvenient truths about biosignatures involving two chemical species on Earth-like exoplanets. Proceedings of the National Academy of Sciences, 111 (19), 6871-6875. http://www.pnas.org/content/111/19/6871.full.pdf.

[70] Krissansen-Totton, J., Schwieterman, E.W., Charnay, B., Arney, G., Robinson, T.D., Meadows, V. y Catling, D.C., 2016. Is the pale blue dot unique? Optimized photometric bands for identifying Earth-like exoplanets. The Astrophysical Journal, 817 (1), 31. http://iopscience.iop.org/article/10.3847/0004-637X/817/1/31/pdf.

[71] Schwieterman, E.W., Cockell, C.S. y Meadows, V.S., 2015. Nonphotosynthetic pigments as potential biosignatures. Astrobiology, 15 (5), 341-361. http://online.liebertpub.com/doi/pdfplus/10.1089/ast.2014.1178.    Hegde, S., Paulino-Lima, I.G., Kent, R., Kaltenegger, L. Y Rothschild, L., 2015 Surface biosignatures of exo-Earths: Remote detection of extraterrestrial life. Proceedings of the National Academy of Sciences, 112 (13), 3886-3891. www.pnas.org/content/112/13/3886.full.pdf.

[72] Irwin, L.N., Méndez, A., Fairén, A.G. y Schulze-Makuch, D., 2014. Assessing the possibility of biological complexity on other worlds, with an estimate of the occurrence of complex life in the Milky Way galaxy. Challenges, 5 (1), 159-174. www.mdpi.com/2078-1547/5/1/159. Ver también: Lemonick, M.D., 2014. The hunt for life beyond Earth. National Geographic Magazine, julio 2014, 26-45. www.nationalgeographic.com.

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[75]  Kauffman, S., 1995. At home in the universe. Oxford University Press, New York/Oxford. Págs. 185-189.

[76]  Scharf, C., 2014. The Copernicus complex: our cosmic significance in a universe of planets and probabilities. Scientific American / Farrar, Straus and Giroux.  Ver también: www.scientificamerican.com/article/is-earth-s-life-unique-in-the-universe.

[77] Cockell, C., 2013. Characterising exoplanets: detection, formation, interiors, atmospheres and habitability. Scientific discussion meeting at The Royal Society, London, 11-12 marzo 2013. https://royalsociety.org/science-events-and-lectures/2013/exoplanets/.

[78] Cabrol, N.A., 2016. Alien mindscapes—A perspective on the search for extraterrestrial intelligence. Astrobiology, 16 (9), 661-676. http://online.liebertpub.com/doi/pdf/10.1089/ast.2016.1536.

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