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Como encontrar océanos en exoplanetas

  • Título del artículo: Detecting Ocean Glint on Exoplanets Using Multiphase Mapping
  • Autores: Jacob Lustig-Yaeger, Victoria Meadows, Guadalupe Tovar Mendoza, et al.
  • Institución del primer autor: University of Washington Astronomy Department, NASA Astrobiology Institute Virtual Planetary Laboratory
  • Estado del artículo: Publicado en “The Astronomical Journal” (acceso abierto)
  • Astrobite original: How to Find Exoplanet Oceans por Briley Lewis

En las próximas décadas, existirán numerosas oportunidades e ideas para misiones espaciales para detectar vida en otros planetas, por ejemplo el Telescopio Espacial James Webb (JWST por sus siglas en inglés), LUVOIR, el Telescopio Espacial de los Orígines, HabEx, entre otros. Pero, ¿cómo se verían esos signos de vida y qué necesitaríamos para detectar estas señales biológicas? Estas son algunas de las preguntas claves que enfrentan los astrónomos para seleccionar los próximos telescopios espaciales.

Dado a que solo tenemos un ejemplo de vida en el universo (hasta el día de hoy), un exoplaneta debe tener propiedades térmicas y químicas similares a las de la Tierra para que se considere habitable. Una de las maneras principales para determinar si un planeta es habitable es mirando su atmósfera para determinar su temperatura y de qué está hecho. Utilizando espectroscopia, podemos obtener información sobre la atmósfera de un planeta, por ejemplo, podemos determinar qué moléculas pueden estar presentes, si hay nubes o brumas, cuál es su temperatura, entre otras cosas. En particular, estudios modernos están enfocados en encontrar agua, oxígeno y otros compuestos en las atmósferas de estos exoplanetas que den indicios de su habitabilidad. Sin embargo, la espectroscopia de transmisión (lo cual JWST será capaz de hacer) solo nos permite ver las capas más externas de la atmósfera. Esto no es precisamente muy util para encontrar agua, considerando que, en la Tierra, todo el vapor del agua se concentra en las capas más bajas de nuestra atmósfera. En el artículo de hoy, los autores se enfoncan en una vía diferente para encontrar agua en exoplanetas: océanos.

Quizás te preguntes: ¿por qué enfocarse en encontrar océanos? Pues, el agua es una de las necesidades clave para la vida tal y como la conocemos hoy, y un gran cuerpo de agua como un océano puede ser indicativo de habitabilidad del exoplaneta. Grupos de investigación como el Laboratorio Virtual Planetario, están explorando no tan solo en biosignaturas atmosféricas, sino que también investigan otras señales como la detectabilidad del “destello del océano”. Este es el caso del artículo de hoy.

¿Cómo sería el océano de un exoplaneta?

A medida que un exoplaneta gira alrededor de su eje, vemos diferentes partes de su superficie; a veces, la mayor parte del disco del planeta está cubierto por tierra u océano. Esto cambien su espectro general y el albedo (esto es el porcentaje de radiación que una superficie refleja respecto a la radiación que incide sobre ella) (ver Figura 1).

Figura 1: Ilustración de cómo varía el espectro de la Tierra a medida que se observan diferentes partes de la superficie (por ejemplo, diferentes fracciones de tierra/océano). El espectro se muestra a la izquierda y los puntos de color de la derecha corresponden a las variaciones marcadas en el espectro. (Crédito: Animación cortesía del primer autor, J. Lustig-Yaeger)

Además, a medida que un exoplaneta gira alrededor de su eje, estamos viendo las partes de la superficie iluminadas por la luz de la estrella en diferentes ángulos, de la misma forma que vemos diferentes fases de la Luna a medida que gira alrededor de la Tierra. Aunque no podemos entender por completo las superficies de los exoplanetas, todavía podemos tener una idea de cuán reflectivo es cada segmento de la superficie mientras vemos diferentes partes. Al analizar las curvas de luz de planetas en una simulación, los autores de este astrobito obtuvieron mapas de albedo de superficie (esto es la reflectividad) utilizando una técnica llamada “mapeo multifacético”. Dado a que el agua refleja más que la tierra (piense en el reflejo brillante del océano de un día soleado de playa), estos mapas podrían ayudar a revelar dónde los grandes océanos se encuentran (ver Figura 2).

Figura 2: Mapas de albedo de la superficie utilizando las curvas de luz simuladas para un exoplaneta similar a la Tierra, que incluye continentes y océanos, para diferentes ángulos de visión. El ángulo de visión corresponde a la fase en la que se encuentra el planera con respecto a nuestro punto de vista: 90 grados está en una “cuadratura” en la cual se ilumina la mitad del planeta, y 135 grados es la fase “creciente” donde solo vemos una pequeña franja de iluminación. La Superficie 1 muestra un azul más oscuro donde el albedo indica una fracción más alta cubierta por un océano, y la Superficie 2 muestra un naraja más oscuro cuando hay una fracción más alta cubierta por tierra. (Crédito: Figura 1 del artículo)

Cuando los océanos se ven en ángulos muy indirectos, la luz se refleja de manera diferente en un fenómeno conocido como “destello”. Según lo observado por el satélite Galileo mientras pasa por la Tierra, la Tierra tiene este “destello”, es decir, parece ser más brillante en las fases de la media luna debido a la reflexión de los océanos y esta misma señal se pudo observar en exoplanetas. También es interesante que este fenómeno no es exclusivo de los cuerpos de agua, ya que !se puede observar el mismo destello para un océano hecho de hidrocarburos, como los líquidos presentes en Titán!

¿Qué telescopios pueden encontrar estas señales?

Para poder determinar qué tipo de telescopio se necesitaría para detectar estas señales, los autores del artículo utilizaron un modelo atmosférico basasado en observaciones de la Tierra obtenidos por la misión EPOXI de la NASA, observado a 5 parsecs de distancia por un telescopio similar a futuras misiones espaciales de imágenes directas. Estas simulaciones pueden mostrar qué océanos se pueden detectar en exoplanetas dada una misión determinada en función del tamaño del telescopio y otros parámetros (como por ejemplo, el tamaño de apertura). En general, una maor apertura es mejor para detectar planetas pequeños. Es importante mencionar que observar las atmósferas y océanos de exoplanetas no es una tarea fácil, debido a cuan pequeños e imperceptibles son los planetas habitales, especialmente cuando los comparas con la brillantez de las estrellas que los acompañan. Aunque detectar estos océanos también sea una tarea difícil para JWST, los autores de este artículo encuentran que la próxima generación de telescopios espaciales de 6 a 15 metros (por ejemplo, LUVOIR) debería poder realizar este tipo de detecciones. En primer lugar, el número exacto de detecciones depende de qué tan comunes sean estos planetas habitables (esto es, su tasa de ocurrencia); dado a que nuestros estimados actuales de tasa de ocurrencia se basan en muestras limitadas, los autores del artículo asumen que el 20% de las estrellas tendrán planetas similares a la Tierra. Basándonos en este supuesto, los autores predicen que los futuros telescopios espaciales podrán detectar destellos oceánicos en ~ 1 a 10 exoplanetas de zonas habitables alrededor de las estrellas cercanas G,K y M.

Detectar indicios de océanos, habitabilidad o vida será un gran desafío técnico en las próximas décadas, pero esto es una oportunidad para ayudar a responder alguna de las preguntas más importantes de la astronomía: ¿hay otros planetas similares a la Tierra? ¿Estamos solos? El poder combinado de mapeo multifacético y la detección de destellos oceánicos, como se describe en este artículo, será una herramienta útil en nuestro kit para determinar la habitabilidad con cierto grado de confianza y acercarnos más a responder estas preguntas fundamentales.

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