La luz que brilla a través de la atmósfera de un exoplaneta nos puede dar una pista de si el planeta es compatible con la vida. Crédito: NASA, ESA, y G. Bacon (STScI)
¿Cómo encontrar vida en un planeta en alguna otra parte de nuestra galaxia? Un punto de partida útil es imaginar mirando de lejos en busca de signos de vida en la Tierra. Si los alienígenas usaran un telescopio como los que tenemos en la Tierra, probablemente sólo verían la Tierra y el sol fusionados en un solo punto amarillo pálido.
Si fueran capaces de separar la Tierra del Sol, verían un punto azul pálido. No habría manera para ellos de ver la superficie de la imagen de nuestro planeta y de ver la vida sobre ella.
Sin embargo, los alienígenas podrían utilizar la espectroscopia, tomando luz de la Tierra y su matriz de sus colores para ver sus componentes y averiguar los gases que componen nuestra atmósfera. Entre estos gases, puede ser que la esperanza de encontrar un "biomarcador", algo inusual e inesperado que sólo podría explicarse por la presencia de vida.
En la Tierra, el indicio más evidente de la presencia de la vida es la abundancia de oxígeno libre en la atmósfera. ¿Por qué el oxígeno? Debido a que es altamente reactivo y se combina fácilmente con otras moléculas en la superficie de la Tierra y en nuestros océanos. Sin el reabastecimiento constante que viene de la vida, el oxígeno libre en la atmósfera desaparecería en gran parte.
Biomarcadores
Pero la historia no es tan simple. La vida ha existido en la Tierra durante al menos 3500 millones de años. Durante gran parte de ese tiempo, sin embargo, los niveles de oxígeno eran mucho más bajos que los que se observan en la actualidad.
Y el oxígeno por sí solo no es suficiente para indicar la vida; hay muchos procesos no biológicos que pueden contribuir al oxígeno a la atmósfera de un planeta.
Por ejemplo, la luz ultravioleta puede producir abundante oxígeno en la atmósfera de un mundo cubierto de agua, aunque carezca de vida.
El resultado de esto es que un solo gas por si solo no es un biomarcador. En su lugar, tenemos que mirar la evidencia de un desequilibrio químico en la atmósfera de un planeta, algo que sólo se puede explicar con la presencia de la vida.
Aquí en la Tierra, tenemos uno: nuestra atmósfera no es sólo rica en oxígeno, también contiene trazas significativas de metano. Mientras el abundante oxígeno o metano fácilmente podrían explicarse en un planeta sin vida, también sabemos que el metano y el oxígeno reaccionan entre sí con fuerza y rapidez.
Cuando los pones juntos, la reacción va a limpiar la atmósfera de la que sea menos común. Así que para mantener la cantidad de metano en la atmósfera rica en oxígeno, se necesita una enorme fuente de metano, reposición contra la influencia de agotamiento de oxígeno. La explicación más probable es que hay vida.
Observando atmósferas exoplanetarias
Si encontramos un exoplaneta suficientemente similar al nuestro, hay varias formas en las que podríamos estudiar su atmósfera para buscar biomarcadores.
Cuando un planeta pasa directamente entre nosotros y su estrella anfitriona, una pequeña fracción de la luz de la estrella pasará a través de la atmósfera del planeta en su camino hacia la Tierra. Si pudiéramos hacer un zoom lo suficiente, podríamos ver realmente la atmósfera del planeta como un anillo transparente que rodea la mancha oscura que marca el cuerpo del planeta.
La cantidad de luz de las estrellas que pasan a través de ese anillo nos da una indicación de la densidad y la composición de la atmósfera. Lo que obtenemos es un "espectro de transmisión", que es un espectro de absorción de la atmósfera planetaria, iluminada por la luz de fondo de la estrella.
La concentración de oxígeno en la atmósfera de la Tierra en los últimos mil millones de años. Como referencia, la línea roja punteada muestra la concentración actual del 21%. Crédito: Wikimedia
Nuestra tecnología ahora es capaz de recopilar y analizar estos espectros, por primera vez. Como resultado, nuestra interpretación permanece fuertemente limitada por nuestras capacidades telescópicas y nuestra comprensión creciente de las atmósferas planetarias.
A pesar de los desafíos actuales, la técnica se sigue desarrollando con gran éxito. En los últimos años, los astrónomos han descubierto una amplia variedad de diferentes especies químicas en la atmósfera de algunos de los más grandes y más extraños exoplanetas conocidos por el método del tránsito.
Eclipses
Otro enfoque consiste en la observación de un planeta en tránsito y su estrella a medida que orbitan entre sí. El objetivo aquí es recoger algunas observaciones cuando el planeta es visible (pero no en el tránsito), y otros cuando se está eclipsado por su estrella.
Con un poco de esfuerzo, los astrónomos pueden restar una observación de la otra, cancelando efectiva enormemente la luz de la estrella. Una vez que se quita la luz, lo que nos queda es el espectro lado diurno del planeta.
El futuro
Los astrónomos están constantemente desarrollando nuevas técnicas para recoger información sobre las atmósferas exoplanetarias. Uno que muestra un potencial especial, sobre todo para la búsqueda de planetas como el nuestro, es el uso de la luz polarizada.
La mayor parte de la luz que recibimos de los planetas se refleja, se origina con la estrella anfitriona. El proceso de reflexión trae consigo un beneficio sutil - los aumentos de luz reflejan un grado de polarización. Diferentes superficies producen diferentes niveles de polarización y la polarización podría ser la clave para encontrar los primeros océanos más allá del Sistema Solar.
Estos métodos están siendo severamente limitados por dos factores: la debilidad relativa de los exoplanetas, y su proximidad a su estrella anfitriona. La historia en curso de la ciencia de exoplanetas es, por tanto, muy centrada en la superación de estos desafíos observacionales.
Los avances en la tecnología en la próxima generación de telescopios pueden permitir que la luz de un planeta similar a la Tierra sea visto directamente. En ese punto, la tarea se vuelve (un poco) más fácil, en parte porque el planeta se puede observar por mucho más tiempo, en vez de sólo confiar en las observaciones del eclipse / tránsito.
Pero incluso entonces, la espectroscopia será el camino a seguir; los planetas seguirán siendo puntos azules apenas pálidos.
Lo que hemos visto hasta ahora
Muchos exoplanetas pueden no tener nada de atmósfera. Crédito: NASA / JPL-Caltech
Los exoplanetas que hemos descubierto hasta la fecha son muy inhóspitos para la vida tal como la conocemos. Ninguno de los planetas estudiados hasta ahora serían habitable incluso para los microorganismos extremófilos.
Los planetas cuyas atmósferas hemos estudiado son principalmente "Júpiteres calientes", planetas gigantes orbitando peligrosamente cerca de sus estrellas. Orbitan con periodos de unos pocos días, tránsitos cortos y eclipses con cada órbita.
Debido a la enorme cantidad de energía que reciben de sus estrellas, muchos de estos "Júpiteres calientes" son enormes, mucho más allá de la escala del planeta más grande de nuestro Sistema Solar. Por ese tamaño, su calor y su velocidad, los hacen los blancos más fáciles para nuestras observaciones.
Pero a medida que nuestra tecnología ha mejorado, ha sido posible observar, a través de arduo esfuerzo, algunos planetas más pequeños, conocidos como "súper-Tierras".
Atmósferas de planetas distantes ...
El Júpiter caliente HD189733 tiene una de las atmósferas planetarias mejor entendida más allá del Sistema Solar.
Observaciones realizadas por el Telescopio Espacial Hubble, en 2013, sugieren un mundo azul oscuro, con una espesa atmósfera de vapor de silicato. Otros estudios han demostrado que su atmósfera contiene cantidades significativas de vapor de agua y dióxido de carbono.
En general, parece ser un gigante de gas rico en hidrógeno como Júpiter, aunque sobrecalentado, con temperaturas por encima de las nubes superiores a 1.000 grados. Por debajo de las nubes se encuentra una capa de polvo generalizada, con compuestos de silicatos y sal metálica.
Los jóvenes planetas gigantes en el sistema HR8799 parecen ser ricos en hidrógeno pero con complejas atmósferas, con compuestos tales como metano, monóxido de carbono y agua. Son versiones probablemente más grandes, más pequeños y más calientes de nuestros planetas gigantes - con sus propios matices únicos.
Al usar un filtro polarizador, podemos bloquear la luz con cierta polarización. Es así como las gafas de Sol polarizadas cortan el resplandor de los reflejos y el océano en un día soleado. Crédito: Wikimedia, CC BY-SA
Para la super-Tierra GJ1214b la lección es que tener cuidado con sacar conclusiones. Sugerencias tempranas dicen que podría ser un "mundo del agua" o tener una atmósfera de hidrógeno sin nubes que ya hayan sido sustituidas por una neblina de compuestos de hidrocarburos (como en Titán), o granos de sal de potasio o sulfuro de cinc.
Si bien la búsqueda de planetas similares a la Tierra continúa utilizando telescopios terrestres y espaciales, los científicos exoplanetarios están esperando ansiosamente el lanzamiento del Telescopio Espacial James Webb JWST.
Ese inmenso telescopio, programado para ser lanzado en torno a octubre 2018, podría marcar el verdadero comienzo de la búsqueda emocionante de biomarcadores atmosféricos lejanos y vida exoplanetaria.
Una imagen directa de los cuatro planetas conocidos en orbitar la estrella HR 8799. Crédito: Ben Zuckerman
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