Firmas biológicas con llamarada

• Título: Persistence of Flare Driven Atmospheric Chemistry on Rocky Habitable Zone Worlds
• Autores: Howard Chen, Zhuchang Zhan, Allison Youngblood, Eric T. Wolf, Adina D. Feinstein, and Daniel E. Horton
• Institución del primer autor: Center for Interdisciplinary Exploration & Research in Astrophysics (CIERA), Evanston, IL, 60202, USA
• Estado: Publicado en Nature Astronomy. Acceso libre aquí (ArXiv).
• Astrobite original: Bio-Signature With Flare
• Autor del astrobite original: Abygail Waggoner

Trazadores biológicos en atmósferas

Figura 1. Moléculas como CO₂, N₂O y CH₄ son el producto de la vida en la Tierra. Estas especies, y otras, son una parte esencial de nuestra atmósfera, ya que mantienen el calor dentro y la radiación dañina afuera. Crédito de la imagen: National Climate Assesment.

Todos queremos saber la respuesta a la pregunta: ¿existe vida más allá del planeta Tierra en el Universo?. Desafortunadamente la respuesta es mucho más complicada de responder que la pregunta en sí. Una de las maneras en las que podemos responder a la pregunta, “¿Hay vida allá afuera?” es estudiando los planetas que se encuentran más allá de nuestro sistema Solar, mejor conocidos como Exoplanetas.

Uno de los métodos que existen para detectar trazas biológicas en otros planetas es mediante el estudio de su atmósfera. Con la llegada de nueva tecnología, como el James Webb Space Telescope (Octubre 2021), será posible estudiar la atmósfera de exoplanetas con el fin de encontrar posibles trazadores biológicos. Estos trazadores biológicos son estudiados mediante técnicas espectroscópicas en diferentes bandas del espectro electromagnético (es decir, el estudio de líneas de absorción debido a diferentes elementos químicos).

Las firmas biológicas atmosféricas son moléculas que pueden indicar la presencia de vida ó moléculas que son necesarias para que la vida exista. Un ejemplo de moléculas útiles para saber si un planeta puede contener vida son H₂O, O₂ y O₃, mientras que las moléculas N₂O y CH₄ son indicativos de que existe vida (ver Figura 1).  Sin embargo, las firmas biológicas pueden ser producto de eventos naturales del planeta, como por ejemplo, erupciones volcánicas o variación en la actividad estelar. Por tanto, se debe tener cuidado cuando se dice que cierta molécula indica la presencia de vida.

Las estrellas son variables con el tiempo, y pueden tener erupciones de llamaradas con fotones de alta energía (ultravioleta, rayos-X; Figura 2). Estas llamaradas pueden incrementar la tasa de ionización de la atmósfera planetaria ocasionando alteraciones en la química atmosférica. El artículo de hoy trata sobre nuevos modelos para determinar el efecto de las llamaradas, que provienen de la estrella huésped del planeta, en la química atmosférica de tres planetas diferentes.

Figura 2. Curva de luz emitida por una estrella a través del tiempo. Las cruces rojas “X” indican la llamarada, donde el flujo incrementa de manera temporal. Esta curva de luz fue observada por TESS.

Modelando los exoplanetas y las llamaradas

En el artículo de hoy se modelan tres planetas diferentes, que se definen como planetas en estrellas G, K, y M usando el código “Modelo climático de atmósfera de la comunidad” (WACCM, por sus siglas en inglés). Cada planeta se asume que tiene una superficie rocosa, que contienen nitrógeno en su atmósfera y que están rotando alrededor de una estrella enana. Así mismo, cada planeta tiene su propio campo magnético, tasa de rotación y parámetros estelares.

1. Planeta con estrella tipo G: este planeta tiene un campo magnético fuerte y rota rápidamente alrededor de una estrella tipo G similar a nuestro Sol.
2. Planeta con estrella tipo K: este planeta tiene un campo magnético débil y rota alrededor de una estrella tipo K.
3. Planeta con estrella tipo M: este planeta tiene un campo magnético débil y una rotación lenta alrededor de una estrella tipo M.

La llamarada estelar es inducida en los modelos de WACCM para monitorear la manera en la que la química atmosférica es afectada con el tiempo. Ellos usaron dos tipos de llamaradas, las súper llamaradas modeladas con el código MUSCLES y las observadas en los planetas que orbitan estrellas enanas.

Figura 3. Esta figura muestra cambios en las abundancias de NO (a-d), OH (e-h) y O₃ (i-l) como resultado de la llamarada de la estrella tipo K sobre el planeta. Las cruces rojas en (a) es donde la llamarada impacta al planeta.

Trazadores biológicos: ¡Solo añade una llamarada!

Los autores no solamente encontraron que las llamaradas pueden cambiar la composición química de la atmósfera del planeta si no que, además, pueden cambiarla permanentemente a un nuevo estado estable. Es decir, las llamaradas pueden incrementar la abundancia de las moléculas de NO, OH, NO₂ y H₂O, y disminuir las abundancias de O₃ y CH₄. Los cambios más prominentes son en NO, OH y O₃ como se puede ver en la Figura 3. Estas especies fueron las menos afectadas en el caso del planeta que orbita una estrella de tipo G, probablemente debido a su campo magnético, sin embargo, los planetas que orbitan las estrellas tipo K y M pareciera que pierden totalmente O₃. Una muestra de las reacciones químicas y físicas debido al cambio de abundancias ocasionado por la llamarada se muestra en la Figura 4.

Figura 4. El número de reacciones que se discuten en el artículo de hoy. Estas son las principales vías de formación / destrucción de los trazadores biológicos discutidos. La llamarada cambia la rapidez con que ocurren estas reacciones, impulsando así un nuevo estado estacionario químico.

El artículo de hoy nos mostró que las llamaradas estelares pueden producir abióticamente posibles trazadores biológicos, como HNO₃ y NO₂, al tiempo que reducen algunos trazadores biológicos como el CH₄. Desafortunadamente, esto significa que detectar signos de vida en exoplanetas es un poco más difícil de lo que era antes. Las llamaradas, que ocurren con frecuencia en las estrellas, pueden cambiar la química de una atmósfera con el tiempo. Esta variabilidad hará que sea aún más difícil determinar si los trazadores biológicos se produjeron de forma biótica o abiótica.