Alrededor del 78% de la atmósfera de la Tierra está compuesta de nitrógeno. Crédito: NASA
Podríamos pensar que en la Tierra es común un ambiente dominado por el oxígeno, pero en realidad esa molécula es sólo una quinta parte de nuestro aire. La mayor parte de lo que nos rodea es nitrógeno, el 78 por ciento. Los astrobiólogos están empezando a ver nitrógeno y no sólo oxígeno como un indicador clave de la habitabilidad de un planeta. El nitrógeno es esencial para la vida en la Tierra y puede ser una señal de una atmósfera lo suficientemente gruesa como para estabilizar el agua líquida en la superficie de un planeta, fundamental para crear condiciones de habitabilidad.
El nitrógeno, de hecho, fue aún más abundante cuando los volcanes de la Tierra y otros procesos internos comenzaron reemplazando la atmósfera original de nuestro planeta de hidrógeno y helio. El resultado de esos procesos geológicos, así como las contribuciones añadidas por la vida temprana, fue la evolución de una atmósfera "secundaria" formada por nitrógeno, oxígeno (principalmente de la vida fotosintética como las plantas), y trazas de componentes como el agua y argón.
Aquí está el desafío para los astrobiólogos: el nitrógeno es difícil de ver incluso con los telescopios más sofisticados. Su firma química no es recogida también por un espectrógrafo porque el nitrógeno no interactúa fuertemente con la mayoría de las longitudes de onda de la luz. Dado que los planetas similares a la Tierra tienen delgadas atmósferas, difíciles de ver, para empezar, la búsqueda de nitrógeno en estos planetas será difícil.
Pero Edward Schwieterman, un candidato doctoral en astronomía y astrobiología de la Universidad de Washington, y sus colaboradores han dado un paso adelante. Schwieterman trabaja con Victoria Meadows, el investigador principal del Laboratorio Planetario Virtual del Instituto de Astrobiología de la NASA. Un documento basado en la investigación, "Detectando y Limitando abundancias de N2 en las atmósferas planetarias utilizando pares de colisión", fue publicado en agosto en la revista Astrophysical Journal. La investigación fue financiada por el Instituto de Astrobiología de la NASA.
El volcán Cleveland en erupción en las islas Aleutianas de Alaska, capturado por los astronautas desde la Estación Espacial Internacional en 2006. La Tierra tiene una "atmósfera secundaria", producida en parte por los volcanes. Crédito: NASA
Usando EPOXI
Schwieterman se acercó a la Tierra como si fuera un exoplaneta para servir como un ejemplo análogo de exoplanetas potencialmente habitables en otros sistemas solares. La mayoría de los satélites pasan a estar en la órbita baja de la Tierra, que es bueno para la caracterización de aspectos tales como el clima o el cambio climático, pero es difícil de capturar lo que se ve cuando un planeta cuando se ve desde una distancia mayor, toda la información espacial se concentra en un solo punto.
"Si tuviéramos que ver directamente la imagen de un exoplaneta similar a la Tierra, tendríamos un punto de luz y ninguna información espacial", dijo Schwieterman. "Necesitamos todos los datos de la Tierra contenidos dentro de un campo de visión en un punto para que proporcione una comparación útil a futuras observaciones de exoplanetas".
La clave para lograr este efecto fue viendo la Tierra desde una nave espacial lejana. Los investigadores eligieron datos de EPOXI, una misión que se reutilizó de la nave espacial Deep Impact (que fotografió el cometa 103P / Hartley de cerca en 2010). EPOXI estaba lo suficientemente lejos de la Tierra para verlo como un disco. Los controladores perdieron contacto con EPOXI en 2013 y la misión fue declarada terminada, pero los datos sobrevivieron.
A pesar de que el nitrógeno es difícil de ver desde lejos, cuando las moléculas de nitrógeno chocan entre sí producen un par de nitrógeno-nitrógeno que es espectralmente activo. Este emparejamiento era visible a través del espectrómetro de la nave espacial EPOXI, pero los investigadores pasaron tiempo asegurándose de que esto no fuera una casualidad.
La concepción artística de EPOXI durante su misión anterior, llamada Deep Impact, cuando visitó el cometa Tempel 1. Crédito: NASA
Desde las firmas espectrales de las colisiones de nitrógeno y el dióxido de carbono se superponen, los investigadores modelaron diferentes tipos de atmósferas sintéticas utilizando el modelo de Tierra espectral virtual 3D del Laboratorio Planetario del Instituto de Astrobiología de la NASA, como la duplicación y redujeron a la mitad la abundancia de dióxido de carbono y nitrógeno. Incluso después de realizar estos cambios, todavía eran capaces de ver una firma válida de nitrógeno a una longitud de onda de la luz de 4,15 micras.
Habitabilidad
Encontrar el nitrógeno tiene una implicación interesante en exoplanetas del tamaño de la Tierra. La definición de habitabilidad es la presencia de agua líquida estable. Por lo general, definimos "zona habitable" de una estrella por ejemplo, como la región alrededor de la estrella donde el agua líquida podría existir en la superficie de un planeta rocoso dando un ambiente lo suficientemente grueso. Esto se basa generalmente en la cantidad de luz solar que el planeta recibe de la estrella.
Para tener una idea más clara de habitabilidad, Schwieterman señaló, que el nitrógeno podría servir como un indicador de una atmósfera lo suficientemente gruesa para mantener el agua de su superficie estable. "Si usted no tiene una atmósfera suficientemente gruesa, entonces el agua no es estable en la superficie. Se evapora en la atmósfera. Si podemos confirmar que otros planetas tienen una cantidad similar de nitrógeno como la Tierra, podemos descartar esa posibilidad fuera." Si otros exoplanetas terrestres habitables son como la Tierra, su atmósfera estaría dominada por nitrógeno.
Un ejemplo de esto es en nuestro propio sistema solar, en Marte. Hace miles de millones de años, el planeta tenía una atmósfera lo suficientemente gruesa como para soportar el agua corriente, como se ve por los barrancos fotografiados desde la órbita y las rocas recogidas a continuación muestran signos de haber sido empapadas por esa agua en el pasado. Hoy, sin embargo, el planeta tiene una atmósfera delgada. ¿Por qué sucedió esto? eso mismo está siendo investigado por MAVEN de la NASA (Marte Ambiente y Evolución Volátil Misión) de la NASA.
Falsos positivos
Trabajos recientes han demostrado que el oxígeno no siempre puede ser un indicador fiable de la vida. Esto es porque un planeta terrestre sin vida y cantidades insuficientes de los gases no condensables, tales como el nitrógeno pueden producir oxígeno en su atmósfera a través de un proceso llamado fotólisis. Esto podría ocurrir cuando las moléculas de agua (que consisten en hidrógeno y oxígeno) de altura en la atmósfera del planeta se rompen por la luz solar, lo que permite que el hidrógeno ligero escape y el oxígeno más pesado se quede atrás. También se han propuesto otras maneras de producir oxígeno abiótico.
Schwieterman y sus colaboradores están interesados en encontrar más maneras de distinguir entre el oxígeno "falso positivo", producido por la luz solar y el oxígeno producido biológicamente visto en la Tierra.
"Esto implicaría mirar un contexto planetario, tal como la ubicación del planeta en la zona habitable y el tipo de estrella que está en órbita, y el uso de información adicional sobre la atmósfera del planeta y de la superficie de la espectroscopia", dijo Schwieterman. "El trabajo en la detección de nitrógeno que se describe en ese ámbito más amplio muestra, que descartar estos escenarios de falsos positivos es posible."
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