¿Podemos detectar vida en planetas en torno a enanas rojas?

• Título del artículo original: Detectability of atmospheric features of Earth-like planets in the habitable zone around M dwarfs
• Autores: Fabian Wunderlich, Mareike Godolt, John Lee Grenfell, Steffen Städt, Alexis M. S. Smith, Stefanie Gebauer,Franz Schreier, Pascal Hedel, and Heike Rauer
• Institución del primer autor: Zentrum für Astronomie und Astrophysik, Technische Universität Berlin, Alemania
• Estado de la publicación: Publicado en Astronomy&Astrophysics, acceso abierto en arxiv

Una de las grandes preguntas de la humanidad es si hay vida en otros planetas. Para responderla, podemos dedicarnos a buscar tecnomarcadores (de los que hablamos en este astrobito) o señales de radio de una civilización inteligente, como las búsquedas de SETI. Otra opción es analizar las atmósferas de exoplanetas conocidos, en busca de los llamados biomarcadores o biofirmas. Éstos pueden ser huellas de elementos determinados en los espectros de transmisión del planeta (espectro de la luz de su estrella atravesando la atmósfera del planeta, que nos permite estudiar la composición de la misma). Por ejemplo, si encontramos líneas (o bandas) espectrales del oxígeno (u ozono, O₃), del agua (H₂O) y del metano (CH₄) en una atmósfera, podemos casi asegurar que hay vida en ese planeta, puesto que no tenemos una explicación alternativa abiótica de que esos tres elementos se encuentren en la atmósfera a la vez.

Por ahora sólo hemos podido analizar atmósferas de planetas gigantes gaseosos, en los cuales no pensamos encontrar vida. Sin embargo, esto podría cambiar en tan sólo unos pocos años. Con el lanzamiento del telescopio espacial James Webb, se abre la puerta al análisis de atmósferas de planetas rocosos en torno a enanas rojas. Estas estrellas, también llamadas enanas M, son más pequeñas y frías que nuestro Sol. Es por esto que la zona habitable se encuentra muy cerca de la estrella, lo que presenta grandes ventajas observacionales: podemos observar muchos tránsitos planetarios en poco tiempo, ya que al estar más cerca, los planetas tardarán menos tiempo en dar una vuelta completa en torno a su estrella. Además, estos tránsitos serán más profundos, al ser la luz de la estrella más débil, lo que mejorará la calidad de nuestros datos.

Aún así, ¿será posible detectar estos biomarcadores en planetas tipo Tierra en torno a estas estrellas? Ésta es la pregunta que pretende responder este trabajo, en el cual se estudia cómo se vería la luz de una enana roja al pasar a través de la atmósfera de un planeta como la Tierra. Para ello usan simulaciones de planetas como la Tierra, que consisten en modelos climático-químicos basados en la atmósfera y características terrestres. Usando espectros de estrellas M conocidas, simulan su influencia en estos modelos planetarios y calculan los hipotéticos espectros de transmisión de estas exo-Tierras.

Lo primero que encuentran es que el gradiente de presión-temperatura para las atmósferas de estas exo-Tierras es plano (ver figura 1). Esto quiere decir que no hay grandes variaciones de temperatura a distintas alturas de la atmósfera, al contrario que en el caso de nuestra Tierra, que tiene inversiones de temperatura conforme subimos en altura. Esto se traduce en tener menos líneas (o bandas) espectrales, lo que dificultaría en principio la búsqueda de los biomarcadores.

También encuentran diferencias en la respuesta de los distintos elementos químicos ante la luz de estas estrellas: las enanas rojas emiten más en el infrarrojo que el Sol (cuyo pico de emisión está en el visible), lo que favorecería la detección de los llamados gases de efecto invernadero (como el metano, el dióxido de carbono y el vapor de agua), que absorben calor. Sin embargo, estas estrellas emiten menos radiación ultravioleta, por lo que no habría tanta producción de ozono, que sería más difícil de detectar en las atmósferas de estas exo-Tierras.

En la figura 2 podemos ver los resultados de los distintos espectros de transmisión, así como su señal a ruido, que da idea de la confianza con la que podemos detectar cada elemento: como mínimo necesitaríamos una señal a ruido de 5 para poder decir que lo que estamos viendo es real, es decir, que la intensidad de la señal sea 5 veces mayor que el ruido de la medida. Vemos en esta figura que, efectivamente, los espectros de exo-Tierras en torno a enanas rojas estarían dominados por bandas de absorción de metano y agua, en contraste con el espectro terrestre, en el que el metano no es tan evidente. El ozono es menos visible en estos planetas, salvo en el caso de los que tienen estrellas activas como huéspedes, cuya mayor emisión en el ultravioleta favorece su producción.

En general tenemos buenas noticias, puesto que vemos que las huellas de estos biomarcadores, de existir, serán más profundas en exo-Tierras en torno a enanas rojas que en el caso de la Tierra en torno al Sol (¡otras civilizaciones lo tendrían más difícil para detectarnos!).  Esto se debe también a que en su parte central las atmósferas de estos planetas estarían más calientes, lo que provocaría una expansión de la atmósfera. Este hecho, unido a la mayor cantidad de metano y agua, se traduce en que estos elementos sean más visibles, y su señal a ruido mayor. Además, parece que cuanto más tardío es el tipo estelar (estrellas más pequeñas y frías), mejor, puesto que los biomarcadores son más visibles. Sin embargo, las de tipo muy tardío (mayor que M6) tienen muchas líneas y bandas de absorción es su espectro propio que se podrían confundir con las líneas del espectro de la atmósfera del planeta.

Por último, en la figura 3 los autores nos dan un mapa de las enanas rojas de nuestro vecindario, indicando la detectabilidad de biomarcadores en hipotéticas exo-Tierras en torno a ellas. Entre las 36 mejores opciones que tenemos se encuentran las famosas Próxima Centauri, que ya tiene un planeta detectado en su zona habitable, y la estrella de Barnard. Gracias al satélite TESS podremos encontrar planetas en torno a estas estrellas en el futuro cercano, y ya sabemos en cuáles nos tenemos que fijar.

Hemos visto que las enanas rojas, especialmente las de tipo medio a tardío, parecen ofrecer ventajas para la detección de vida mediante biomarcadores atmosféricos. La pregunta que surge ahora es, ¿son el lugar idóneo para albergarla?