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Los elementos para la vida dependen de cómo y dónde se forma un planeta

En las últimas décadas, la cantidad de planetas descubiertos más allá de nuestro Sistema Solar ha crecido a miles. En la actualidad, se han confirmado 5.241 exoplanetas en 3.916 sistemas, con otros 9.169 candidatos en espera de confirmación. Gracias a numerosas observaciones y estudios de seguimiento, los científicos han aprendido mucho sobre los tipos de planetas que existen en nuestro Universo, cómo se forman los planetas y cómo evolucionan.

Una consideración clave en todo esto es cómo los planetas se vuelven (y permanecen) habitables con el tiempo. En general, los astrobiólogos han operado bajo la suposición de que la habitabilidad se reduce a donde un planeta orbita dentro de un sistema, dentro de la zona habitable (HZ) de su estrella madre. Sin embargo, una nueva investigación realizada por un equipo de la Universidad de Rice indica que el lugar donde se forma un planeta en su respectivo sistema estelar podría ser igual de importante.

El estudio, que se publicó recientemente en Nature Geoscience , fue dirigido por el estudiante graduado de Rice Damanveer Grewal , a quien se unieron varios colegas del Departamento de Ciencias Planetarias, Ambientales y de la Tierra de la Universidad de Rice (incluido Rajdeep Dasgupta, el Profesor Maurice Ewing de Ciencias de los Sistemas Terrestres en Rice). Juntos, miraron más allá de la Zona Goldilocks de estrellas para considerar cómo los factores involucrados en la formación planetaria afectarían en última instancia a la habitabilidad.


Un estudio realizado por científicos de la Universidad de Rice muestra que el lugar donde se forma un planeta en un sistema estelar jugará un papel vital en su habitabilidad.  Crédito: Universidad Rice/Amrita P. Vyas

Básicamente, la ZH de una estrella (o Zona Ricitos de Oro) se refiere a la región donde un planeta en órbita experimentará condiciones lo suficientemente cálidas como para soportar agua líquida en su superficie y una rica atmósfera, los ingredientes clave para la vida. Pero después de tener en cuenta los elementos que intervienen en la formación planetaria, Grewal y sus colegas concluyeron que la cantidad de elementos volátiles que captura y retiene un planeta durante la formación también determinará si se vuelve habitable.

Un elemento central de esto es el tiempo que tarda el material en acumularse desde un disco circunsolar en un protoplaneta y el tiempo que tarda el protoplaneta en diferenciarse en sus distintas capas (un núcleo metálico, un manto y una corteza de silicato y una envoltura atmosférica). El equilibrio entre estos dos procesos es fundamental para determinar qué elementos volátiles retendrá un planeta rocoso, en particular nitrógeno, carbono y agua, que dan origen a la vida.

Usando el laboratorio de alta presión de Dasgupta en Rice, el equipo de investigación usó nitrógeno como un representante de los volátiles y simuló cómo se diferencian los protoplanetas. Lo que encontraron fue que durante este proceso, la mayor parte del nitrógeno de un protoplaneta se pierde del manto y escapa a la atmósfera. A partir de ahí, el nitrógeno se pierde en el espacio cuando el protoplaneta se enfría o choca con otros objetos celestes durante la siguiente etapa de su crecimiento.

Sin embargo, si el núcleo metálico retiene suficiente nitrógeno, aún podría ser lo suficientemente significativo como para que, con el tiempo, ayude a formar una atmósfera “similar a la de la Tierra” más adelante (donde desempeñará un papel importante como gas amortiguador). A partir de esto, los investigadores pudieron modelar la termodinámica y cómo afecta la distribución de nitrógeno entre la atmósfera de un protoplaneta, las capas de sílice fundida y el núcleo.


Impresión artística del rango de zonas habitables para diferentes tipos de estrellas.  Crédito: NASA/Misión Kepler/Dana Berry

Como explicó Grewal en un comunicado de prensa de la Universidad de Rice :

“Simulamos condiciones de alta presión y temperatura al someter una mezcla de polvos de metal y silicato que contienen nitrógeno a casi 30.000 veces la presión atmosférica y calentarlos más allá de sus puntos de fusión. Pequeñas gotas metálicas incrustadas en los vidrios de silicato de las muestras recuperadas eran los respectivos análogos de los núcleos y mantos protoplanetarios”.“Nos dimos cuenta de que el fraccionamiento de nitrógeno entre todos estos reservorios es muy sensible al tamaño del cuerpo. Usando esta idea, podríamos calcular cómo se habría separado el nitrógeno entre diferentes depósitos de cuerpos protoplanetarios a lo largo del tiempo para finalmente construir un planeta habitable como la Tierra”.

Naturalmente, esta investigación tiene implicaciones para nuestra comprensión de cómo se formó la Tierra hace más de 4.500 millones de años. A partir de sus resultados, parece que el material del disco protoplanetario se acumuló rápidamente, formando un embrión planetario del tamaño de la Luna o Marte antes de que completara el proceso de diferenciación y asumiera su actual núcleo metálico, manto/corteza de silicato y disposición de envoltura gaseosa.

Para el Sistema Solar en su conjunto, estiman que los embriones planetarios se formaron entre 1 y 2 millones de años después del Sol y el material nebular restante se formó en un disco que lo rodea, mucho antes de lo que se pensaba anteriormente. Si la tasa de diferenciación fuera más rápida que la tasa de acumulación de estos embriones, entonces ninguno de los planetas rocosos habría acumulado suficientes volátiles y la Tierra no habría desarrollado las condiciones necesarias para la vida.


Concepto artístico de una colisión entre la proto-Tierra y Theia, que se cree que ocurrió hace 4500 millones de años.  Crédito: NASA

Además de ser profesor de Ciencias de los Sistemas de la Tierra en Rice, Dasgupta también es el investigador principal de CLEVER Planets . Este proyecto colaborativo (financiado por la NASA) está dedicado a explorar cómo los elementos que son esenciales para la vida podrían haberse unido en planetas rocosos en todo el cosmos. Como resumió :

“Nuestros cálculos muestran que la formación de un planeta del tamaño de la Tierra a través de embriones planetarios que crecieron extremadamente rápido antes de someterse a la diferenciación de metal-silicato establece un camino único para satisfacer el presupuesto de nitrógeno de la Tierra. Este trabajo muestra que hay una afinidad mucho mayor del nitrógeno hacia el líquido metálico que forma el núcleo de lo que se pensaba anteriormente”.

Esta última investigación se basa en hallazgos previos de Grewal y Dagusta (y colegas), como un estudio realizado en 2019 que mostró cuánto del contenido volátil de la Tierra podría ser el resultado del impacto que dio lugar a la Luna. A esto le siguió una investigación publicada en 2021 que sugería que la Tierra obtuvo más nitrógeno de fuentes locales en el Sistema Solar de lo que se creía.

“Demostramos que los protoplanetas que crecen en las regiones internas y externas del sistema solar acumulan nitrógeno, y la Tierra obtuvo su nitrógeno al acumular protoplanetas de ambas regiones”, dijo Grewal sobre este estudio, que apareció el 21 de enero de 2021, número de Nature Astronomy. “Sin embargo, se desconocía cómo se estableció el presupuesto de nitrógeno de la Tierra”.

Estos hallazgos podrían tener implicaciones significativas para futuras investigaciones sobre cómo se forman, evolucionan y, finalmente, desarrollan los sistemas planetarios la capacidad de sustentar la vida. En los próximos años, las misiones robóticas que exploren los objetos más antiguos del Sistema Solar (cerca de la Tierra, el cinturón principal y los asteroides troyanos/griegos) podrían proporcionar información adicional sobre su historia temprana, una época en la que se plantaron las semillas de los elementos que dan vida. en la Tierra y otros planetas.

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