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Los exoplanetas TRAPPIST-1 revelan pistas sobre mundos habitables

Actualizado: 20 ene

TRAPPIST-1 es una estrella enana roja ultrafría que es ligeramente más grande, pero mucho más masiva, que el planeta Júpiter, ubicado a unos 40 años luz del sol en la constelación de Acuario.


Ilustración Trappist-1


Entre los sistemas planetarios, TRAPPIST-1 es de particular interés porque se han detectado siete planetas orbitando esta estrella, un número mayor de planetas que los que se han detectado en cualquier otro sistema exoplanetario. Además, todos los planetas TRAPPIST-1 son del tamaño de la Tierra y terrestres, lo que los convierte en un foco ideal de estudio para la formación de planetas y la habitabilidad potencial.


Los científicos de la Universidad Estatal de Arizona (ASU) Cayman Unterborn, Steven Desch y Alejandro Lorenzo de la Escuela de Exploración de la Tierra y el Espacio, con Natalie Hinkel de la Universidad de Vanderbilt, han estado estudiando la habitabilidad de estos planetas, específicamente relacionados con la composición del agua. Sus hallazgos han sido publicados recientemente en la revista Nature Astronomy.


Los cálculos indican la existencia agua en Trappist-1

Los planetas TRAPPIST-1 son curiosamente ligeros. A partir de su masa y volumen medidos, todos los planetas de este sistema son menos densos que la roca. En muchos otros mundos, similarmente de baja densidad, se cree que este componente menos denso consiste en gases atmosféricos.

“Pero los planetas TRAPPIST-1 son demasiado pequeños en masa para retener suficiente gas para compensar el déficit de densidad”, explicó el geocientífico Unterborn. “Incluso si fueran capaces de retener el gas, la cantidad necesaria para compensar el déficit de densidad haría que el planeta fuera mucho más hinchado de lo que vemos”.

Así que los científicos que estudian este sistema planetario han determinado que el componente de baja densidad debe ser otra cosa que es abundante: agua. Esto se ha predicho antes, y posiblemente incluso se ha visto en planetas más grandes como GJ1214b, por lo que el equipo interdisciplinario ASU-Vanderbilt, compuesto por geocientíficos y astrofísicos, se propuso determinar cuánta agua podría estar presente en estos planetas del tamaño de la Tierra y cómo y dónde se pueden haber formado los planetas.


Los siete planetas descubiertos en órbita alrededor de la estrella enana roja TRAPPIST-1 podrían caber fácilmente dentro de la órbita de Mercurio, el planeta más interno de nuestro sistema solar. Crédito NASA/JPL- Caltech

Los siete planetas descubiertos en órbita alrededor de la estrella enana roja TRAPPIST-1 podrían caber fácilmente dentro de la órbita de Mercurio, el planeta más interno de nuestro sistema solar. Crédito NASA/JPL- Caltech

Pero, ¿cuánto hay?

Para determinar la composición de los planetas TRAPPIST-1, el equipo utilizó un paquete de software único, desarrollado por Unterborn y Lorenzo, que utiliza calculadoras de física mineral de última generación. El software, llamado ExoPlex, permitió al equipo combinar toda la información disponible sobre el sistema TRAPPIST-1, incluida la composición química de la estrella, en lugar de limitarse solo a la masa y el radio de los planetas individuales.

Gran parte de los datos utilizados por el equipo para determinar la composición se recopilaron de un conjunto de datos llamado Catálogo Hypatia, desarrollado por el autor colaborador Hinkel. Este catálogo combina datos sobre la abundancia estelar de estrellas cercanas a nuestro sol, de más de 150 fuentes bibliográficas, en un repositorio masivo.


Lo que encontraron a través de sus análisis fue que los planetas interiores relativamente “secos” (“b” y “c”) eran consistentes con tener menos del 15 por ciento de agua en masa (en comparación, la Tierra es 0.02 por ciento de agua en masa). Los planetas exteriores (“f” y “g”) eran consistentes con tener más del 50 por ciento de agua en masa. Esto equivale al agua de cientos de océanos terrestres. Las masas de los planetas TRAPPIST-1 continúan siendo refinadas, por lo que estas proporciones deben considerarse estimaciones por ahora, pero las tendencias generales parecen claras.


“Lo que estamos viendo por primera vez son planetas del tamaño de la Tierra que tienen mucha agua o hielo”, dijo Steven Desch, astrofísico de ASU y autor colaborador.


Una rebanada a través de una composición modelo de TRAPPIST-1 “f” que contiene más del 50 por ciento de agua en masa. La presión del agua por sí sola es suficiente para hacer que se convierta en hielo a alta presión. La presión en el límite agua-manto es tan grande que no hay manto superior presente en absoluto; en cambio, las rocas menos profundas serían más parecidas a las que se ven en el manto inferior de la Tierra. Crédito: ASU

Una rebanada a través de una composición modelo de TRAPPIST-1 “f” que contiene más del 50 por ciento de agua en masa. La presión del agua por sí sola es suficiente para hacer que se convierta en hielo a alta presión. La presión en el límite agua-manto es tan grande que no hay manto superior presente en absoluto; en cambio, las rocas menos profundas serían más parecidas a las que se ven en el manto inferior de la Tierra. Crédito: ASU

Pero los investigadores también encontraron que los planetas TRAPPIST-1 ricos en hielo están mucho más cerca de su estrella anfitriona que la línea de hielo. La “línea de hielo” en cualquier sistema solar, incluido el de TRAPPIST-1, es la distancia desde la estrella más allá de la cual el agua existe como hielo y puede ser acretada en un planeta; Dentro de la línea de hielo, el agua existe como vapor y no se acumulará. A través de sus análisis, el equipo determinó que los planetas TRAPPIST-1 deben haberse formado mucho más lejos de su estrella, más allá de la línea de hielo, y migraron a sus órbitas actuales cerca de la estrella anfitriona.


Hay muchas pistas de que los planetas en este sistema y otros han sufrido una migración interna sustancial, pero este estudio es el primero en utilizar la composición para reforzar el caso de la migración. Además, saber qué planetas se formaron dentro y fuera de la línea de hielo permitió al equipo cuantificar por primera vez cuánta migración tuvo lugar.

Debido a que las estrellas como TRAPPIST-1 son más brillantes justo después de formarse y se atenúan gradualmente a partir de entonces, la línea de hielo tiende a moverse con el tiempo, como el límite entre el suelo seco y el suelo cubierto de nieve alrededor de una fogata moribunda en una noche nevada. Las distancias exactas a las que los planetas migraron hacia adentro dependen de cuándo se formaron.

“Cuanto antes se formaban los planetas”, dijo Desch, “más lejos de la estrella necesitaban haberse formado para tener tanto hielo”. Pero para suposiciones razonables sobre cuánto tiempo tardan los planetas en formarse, los planetas TRAPPIST-1 deben haber migrado hacia adentro desde al menos dos veces más lejos de lo que están ahora.


Este gráfico muestra las distancias mínimas de partida de los planetas TRAPPIST-1 ricos en hielo (especialmente f y g) de su estrella (eje horizontal) en función de la rapidez con que se formaron después de que nació su estrella anfitriona (eje vertical). La línea azul representa un modelo donde el agua se condensa en hielo a 170 K, como en el disco de formación planetaria de nuestro sistema solar. La línea roja se aplica al agua que se condensa en hielo a 212 K, apropiada para el disco TRAPPIST-1. Si los planetas se formaron rápidamente, deben haberse formado más lejos (y migrado a una distancia mayor) para contener hielo significativo. Debido a que TRAPPIST-1 se atenúa con el tiempo, si los planetas se formaron más tarde, podrían haberse formado más cerca de la estrella anfitriona y aún así ser ricos en hielo.

Este gráfico muestra las distancias mínimas de partida de los planetas TRAPPIST-1 ricos en hielo (especialmente f y g) de su estrella (eje horizontal) en función de la rapidez con que se formaron después de que nació su estrella anfitriona (eje vertical). La línea azul representa un modelo donde el agua se condensa en hielo a 170 K, como en el disco de formación planetaria de nuestro sistema solar. La línea roja se aplica al agua que se condensa en hielo a 212 K, apropiada para el disco TRAPPIST-1. Si los planetas se formaron rápidamente, deben haberse formado más lejos (y migrado a una distancia mayor) para contener hielo significativo. Debido a que TRAPPIST-1 se atenúa con el tiempo, si los planetas se formaron más tarde, podrían haberse formado más cerca de la estrella anfitriona y aún así ser ricos en hielo.

Demasiada agua no es algo bueno para la vida

Curiosamente, mientras pensamos que el agua es vital para la vida, los planetas TRAPPIST-1 pueden tener demasiada agua para sustentar la vida.

“Por lo general, pensamos que tener agua líquida en un planeta es una forma de comenzar la vida, ya que la vida, tal como la conocemos en la Tierra, está compuesta principalmente de agua y requisito para la vida”, explicó Hinkel. “Sin embargo, un planeta que es un mundo acuático, o uno que no tiene ninguna superficie sobre el agua, no tiene los ciclos geoquímicos o elementales importantes que son absolutamente necesarios para la vida”.

En última instancia, esto significa que si bien las estrellas enanas M, como TRAPPIST-1, son las estrellas más comunes en el universo (y aunque es probable que haya planetas orbitando estas estrellas), la gran cantidad de agua que es probable que tengan las hace desfavorables para que exista la vida, especialmente suficiente vida para crear una señal detectable en la atmósfera que se puede observar. “Es un escenario clásico de ‘demasiado de algo bueno'”, dijo Hinkel.


Por lo tanto, aunque es poco probable que encontremos evidencia de vida en los planetas TRAPPIST-1, a través de esta investigación podemos obtener una mejor comprensión de cómo se forman los planetas helados y qué tipos de estrellas y planetas deberíamos buscar en nuestra búsqueda continua de vida.


 

Referencia: “Inward migration of the TRAPPIST-1 planets as inferred from their water-rich compositions” por Cayman T. Unterborn, Steven J. Desch, Natalie R. Hinkel y Alejandro Lorenzo, 19 de marzo de 2018, Nature Astronomy. DOI: 10.1038/s41550-018-0411-6


Ilustración de la portada: El concepto artístico muestra cómo puede ser el sistema planetario TRAPPIST-1, basado en datos disponibles sobre los diámetros, masas y distancias de los planetas desde la estrella anfitriona, a partir de febrero de 2018. Crédito: NASA/JPL- Caltech

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