Descubrir exoplanetas es casi una rutina ahora. Hemos encontrado más de 5.500 exoplanetas y el siguiente paso es estudiar sus atmósferas y buscar firmas biológicas. El Telescopio Espacial James Webb está liderando el camino en ese esfuerzo. Pero en algunas atmósferas de exoplanetas, los rayos podrían dificultar el trabajo del JWST al oscurecer algunas biofirmas potenciales y amplificar otras.

La detección de biofirmas en las atmósferas de planetas distantes está plagada de dificultades. No anuncian su presencia y las señales que recibimos de las atmósferas de los exoplanetas son complicadas. Una nueva investigación añade otra complicación al esfuerzo. Dice que los rayos pueden enmascarar la presencia de cosas como el ozono, una indicación de que podría existir vida compleja en un planeta. También puede amplificar la presencia de compuestos como el metano, que se considera una firma biológica prometedora.

La nueva investigación es ” El efecto de los rayos en la química atmosférica de exoplanetas y posibles biofirmas ” y ha sido aceptada para su publicación en la revista Astronomy and Astrophysics. El autor principal es Patrick Barth, investigador del Instituto de Investigaciones Espaciales de la Academia de Ciencias de Austria.

Si bien hemos descubierto más de 5.500 exoplanetas, sólo 69 de ellos se encuentran en zonas potencialmente habitables alrededor de sus estrellas. Son planetas rocosos que reciben suficiente energía de sus estrellas para mantener potencialmente agua líquida en sus superficies. Nuestra búsqueda de biofirmas se centra en este pequeño número de planetas.

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Esta es una ilustración artística del exoplaneta TRAPPIST-1d, un exoplaneta potencialmente habitable a unos 40 años luz de distancia. Planetas como estos son objetivos principales para la espectrometría del JWST. Crédito de la imagen: Por NASA/JPL-Caltech – Recortado de: PIA22093: Alineación de planetas TRAPPIST-1 – Actualizado en febrero de 2018, dominio público, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=76364484

El siguiente paso importante es determinar si estos planetas tienen atmósferas y luego cuál es la composición de esas atmósferas. El JWST es nuestro instrumento más poderoso para estos propósitos. Pero para entender lo que nos muestra el JWST en atmósferas distantes, tenemos que saber qué nos dicen sus señales. Investigaciones como esta ayudan a los científicos a prepararse para las observaciones del JWST al alertarlos sobre posibles falsos positivos y firmas biológicas enmascaradas.

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Este espectro del JWST no forma parte de esta investigación, pero muestra cómo el poderoso telescopio espacial puede examinar las atmósferas de los exoplanetas. Es un espectro de transmisión del exoplaneta gigante de gas caliente WASP-39 b, capturado por el espectrógrafo de infrarrojo cercano (NIRSpec) de Webb. Revela la primera evidencia definitiva de dióxido de carbono en la atmósfera de un planeta fuera del Sistema Solar. En el futuro, el JWST aplicará su poder de observación a más exoplanetas como parte de la búsqueda de biofirmas. Crédito de imagen: NASA, ESA, CSA y L. Hustak (STScI). Ciencia: Equipo científico de lanzamiento temprano de la comunidad de exoplanetas en tránsito del JWST

En su investigación, los autores combinaron experimentos de laboratorio con modelos fotoquímicos y de transferencia radiativa. Las atmósferas pueden ser extraordinariamente complejas y es probable que no haya dos exoplanetas que tengan las mismas cualidades atmosféricas. Pero la física y la química dictan lo que puede suceder, y los modelos de transferencia fotoquímica y radiativa pueden manejar miles de tipos diferentes de reacciones químicas en las atmósferas.

En los experimentos de laboratorio, las descargas de chispas sustituyeron a los rayos. Los investigadores se centraron en atmósferas que contenían N 2 , CO 2 y H 2 y los diferentes productos que producían los rayos. Otras investigaciones han hecho lo mismo, pero este trabajo es diferente. Investigaciones anteriores se centraron en productos individuales o sólo en una pequeña cantidad de productos. Pero Barth y sus colegas ampliaron ese trabajo. Estudiaron la producción de una variedad más amplia de productos químicos.

Esto les permitió “… investigar las tendencias en nuestros experimentos sobre el estado de oxidación de los productos del rayo y la influencia del vapor de agua”, explican. “En particular, estábamos interesados ​​en el efecto de los rayos en la producción de (anti)biofirmas potenciales en el contexto de las
observaciones actuales y futuras de atmósferas exoplanetarias”.

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Esta fotografía muestra una tormenta eléctrica que azota una zona rural. Aquí en la Tierra, los rayos producen ozono y también pueden haber sido el detonante energético que impulsó la vida. Crédito: noaanews.noaa.gov

Los investigadores descubrieron que el efecto de los rayos sobre las biofirmas depende del tipo de atmósfera y de la cantidad de rayos. Observaron dos tipos amplios de atmósferas: reductora y oxidante. Una atmósfera reductora no tiene oxígeno ni otros gases oxidantes y no puede producir ningún compuesto oxidado. Una atmósfera oxidante es lo contrario. Contiene oxígeno, que produce compuestos oxidados.

Sus resultados muestran que para un planeta con agua superficial y condiciones habitables con una atmósfera ligeramente reductora o ligeramente oxidante, es menos probable que los rayos produzcan falsos positivos. Los autores predicen que “… para el tipo de atmósferas estudiadas aquí, los rayos no pueden producir una biofirma falsa positiva de NH 3 o CH 4
“. Dicen que también es poco probable que un rayo pueda producir una firma biológica de N 2 O falsamente positiva.

Pero los rayos produjeron algunos compuestos, incluidos CO y NO. Los investigadores utilizaron las tasas de producción de ambas sustancias químicas para calcular cómo las tasas de relámpagos afectan la composición química de la atmósfera. A continuación, aplicaron ese modelo a planetas del tamaño de la Tierra en las zonas habitables del Sol y a TRAPPIST-1 para atmósferas tanto óxicas como anóxicas. Realizaron simulaciones de esos escenarios en planetas con y sin biosferas. También calcularon los espectros simulados de esos mundos para identificar firmas químicas.

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Esta imagen fue tomada por un astronauta en la Estación Espacial Internacional y muestra un rayo cayendo sobre Irán. Esta investigación muestra que la velocidad de los rayos puede oscurecer y producir biofirmas en diferentes condiciones atmosféricas. Haber de imagen: ESA/NASA

¿Sus resultados?

“Descubrimos que los rayos no son capaces de producir una antibiofirma de CO falsamente positiva en un planeta habitado”, explican los autores. “Sin embargo, en una atmósfera rica en oxígeno, la frecuencia de los rayos sólo unas pocas veces
mayor que la de la Tierra moderna puede enmascarar la biofirma del O3 <ozono>”.

Pero en otras situaciones, los rayos pueden evitar falsos positivos. En la atmósfera anóxica de un planeta que orbita una vieja enana roja, los rayos más frecuentes que los de la Tierra pueden eliminar un tipo de falso positivo confuso.

“Del mismo modo, en la atmósfera abiótica y anóxica de un planeta que orbita una enana M tardía, los relámpagos con velocidades de destello diez veces o más que las de la Tierra moderna pueden eliminar la característica abiótica del ozono producida por la fotólisis del CO2, evitando una detección de biofirmas falsamente positiva. ”, explican. Decir que es complicado es quedarse corto.

Hay otro giro más. Es posible que los rayos no impidan otros falsos positivos importantes. “… los rayos podrían
no ser capaces de prevenir todos los escenarios de O2 falsos positivos para planetas terrestres ricos en CO2 que orbitan enanas M ultrafrías”, escriben los autores.

Aquellos con buen ojo para la ironía podrían notar algo aquí. Los científicos están bastante seguros de que los rayos desempeñaron un papel en la vida en la Tierra al proporcionar la chispa energética que hizo rodar la bola. Pero el hecho de que los rayos también puedan dificultarnos el descubrimiento de vida es algo irónico.

Pero la ironía es un invento humano. A la naturaleza no le importa. Hace lo que hace y depende de nosotros descubrirlo.

“En resumen, nuestro trabajo proporciona nuevas limitaciones para la caracterización completa de los procesos atmosféricos y superficiales en exoplanetas”, concluyen los autores.

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