El primer paso en la detección de vida extraterrestre: conociendo otros planetas

• Título del artículo original: Understanding planetary context to enable life detection on exoplanets and test the Copernican principle
• Autores/as: Joshua Krissansen-Totton, Maggie Thompson , Max L. Galloway y Jonathan J. Fortney
• Institución del autor: Department of Astronomy and Astrophysics, University of California, Santa Cruz, CA, USA.
• Estado de la publicación:  Publicado en nature astronomy, acceso abierto en arXiv

Desde hace siglos la Humanidad ha buscado responder la pregunta de si existe vida en otros planetas. Gracias a los futuros instrumentos que se están planteando o incluso ya construyendo, hoy parecemos más cerca de resolver esta cuestión. Sin embargo, saber qué es lo que esperamos encontrar es todo un reto, ya que la la bioquímica terrestre es la única que, por el momento, conocemos. En el artículo de hoy, revisaremos lo que sabemos hasta ahora y lo que esperamos encontrar en otros posibles planetas. 

La definición de vida más universal

Erwin Schöringer definía la vida como “un sistema fuera del equilibrio que se nutre de energía libre y contiene las instrucciones para su autoreplicación”. Esta definición de trabajo puramente termodinámica tiene la ventaja de ser completamente universal. Da igual en qué planeta alrededor de qué estrella y en qué parte del universo nos encontremos. Su forma de vida debe cumplir con estos principios. Sin embargo, tiene la (gran) desventaja de que observar estas estructuras complejas (es decir, las formas de vida propiamente dichas) es extremadamente improbable, si no imposible, en exoplanetas. Por tanto, el desafiante objetivo de la comunidad científica es identificar la presencia de vida a través de las modificaciones que esta ha producido en el planeta anfitrión. Claro que esto es mucho más sencillo de decir que de hacer… Es necesario identificar elementos de desecho de origen biótico, y esperar que la concentración de estos en la atmósfera sea lo suficientemente alta como para ser detectable. 

Oxígeno y metano, los clásicos no fallan… ¿o sí?

El oxígeno resulta uno de los compuestos más estudiados como subproducto de la vida. Tanto en su forma molecular más común (O₂) como en forma de ozono (O₃) fueron considerados durante mucho tiempo como biomarcadores muy prometedores. Esto se debe principlamente a la ventaja evolutiva que tendría cualquier ser con capacidad de fotosíntesis oxigénica -que libere oxígeno-, así como por lo difícil que resultaría la acumulación que grandes cantidades de esta molécula con origen abiótico.

Entonces, podríamos pensar que la detección de oxígeno es suficiente para confirmar que un planeta está habitado. Por desgracia, no resulta tan sencillo. La fotodisociación de dióxido de carbono (CO₂) puede dar lugar a grandes concentraciones de O₂ o O₃ en la atmósfera. Para descartar estos procesos, sería necesario estudiar la presencia o ausencia de moléculas de monóxido de carbono (CO). Es cierto que en planetas “gemelos” de la Tierra no se esperan grandes concentraciones de oxígeno sin presencia de vida. Pero diferencias sustanciales en su composición podrían llevar a la concentración de esta molécula hasta niveles detectables. Ejemplos de estos casos pueden verse en la Figura 1. Para mejorar nuestro entendimiento de este tipo de mundos, resulta de gran interés entender el clima de Venus, el único planeta accesible con un tamaño similar al nuestro. 

Figura 1. Gráfica mostrando los compuestos más abundantes en las atmósferas de distintos tipos de planetas en función de la cantidad inicial de agua (eje X) y de compuestos no condensables (dióxido de carbono y nitrógeno). Todos ellos se consideran deshabitados. Como vemos, diversos mecanismos abióticos llevan a que en 4 de los 5 supuestos se encuentre oxígeno en la atmósfera. Crédito: Figura 1 del artículo original.

Por otro lado, el metano (CH₄) es otro de esos compuestos que resultan de gran interés. Su presencia en la Tierra está indudablemente ligada a la vida, siendo producido mayormente por metanógenos. También puede originarse como subproducto de la degradación de materia orgánica. Considerando el aparente incentivo evolutivo de este tipo de microorganismos productores de metano debido a la aparente ubicuidad de los sustratos necesarios ( CO₂ y H₂), así como las evidencias que apuntan a un pronto y rápido desarrollo de esta forma de vida en nuestro planeta, se ha sugerido la validez de este compuesto como biomarcador para planetas con una biosfera similar a la de la Tierra primitiva.

Claro que la simple presencia de metanógenos no garantiza la concentración suficiente de CH₄ para ser detectado, y los orígenes alternativos no permiten garantizar que, de ser detectado, haya sido producido por una forma de vida. Para tener certeza, habría que detectar la presencia simultánea de CH₄ y CO₂ con bajas concentraciones de CO, lo que resultaría difícilmente explicable sin una hipótesis biótica. Otros orígenes darían lugar a distintas concentraciones de diversas moléculas. Un resumen de los procesos más probables y la química que se esperaría detectar por otros mecanismos de producción se puede ver en la Figura 2. 

Figura 2. Distintos contextos planetarios que pueden dar lugar a la detección de metano en su atmósfera. Los diversos orígenes de esta molécula dan lugar a concentraciones variables de otros compuestos. El primer caso, producido por la existencia de vida, da lugar a la presencia simultánea de CH₄ y CO₂, así como bajas cantidades de CO. Crédito: Figura 4 del artículo original

Los otros biomarcadores

Existen biomarcadores alternativos, sobre los que cada vez se discute más. Un ejemplo de estos serían marcas como el red edge (un cambio drástico en la reflectancia de la Tierra en el infrarrojo debido a la vegetación), variaciones temporales de las concentraciones de determinados gases, etc. En esta lista podríamos añadir moléculas de formación termodinámicamente tan compleja que su detección en exoplanetas resulta muy improbable si no es por la presencia de vida. Todos estos candidatos deben estudiarse considerando el contexto planetario. Para saltarse este problema, desde hace tiempo se ha discutido la posibilidad de utilizar desequilibrios químicos atmosféricos como signos de que un planeta esté habitado. En este caso, habría que considerar el propio movimiento de los gases en el medio, que podrían dificultar la detección simultánea de los compuestos a estudiar. 

Con un ojo (y un pie) en el futuro

En los próximos años, se esperan grandes avances en este campo. Moléculas como el CH₄ son potencialmente detectables para el Telescopio Espacial James Webb (JWST). Aunque no podrá aportar información suficiente para seguir el origen de este compuesto en el planeta, su éxito sí que motivaría la construcción de instrumentos para dicho fin. Otras moléculas, como las de oxígeno, probablemente no lleguen a ser observadas con el telescopio mencionado. Habrá que esperar a un espectrógrafo de alta resolución en el Extremely Large Telescope (ELT). 

Estas posibles detecciones, por si solas, no resultarán suficientes para confirmar de manera definitiva la existencia de vida en otros planetas. Esto deberá ser un proceso gradual, resultado de la observación independiente de diversas evidencias. En el otro extremo, la no-detección de biomarcadores en una gran muestra de exoplanetas apuntaría a que la vida puede ser un fenómeno raro en el Universo. Aún queda camino por hacer y resulta difícil saber cuándo se podrá superar la ambigüedad. Queda mucho por comprender, incluida la diversidad de planetas no habitados. La pregunta de cómo de común es la vida en el Universo podría ser respondida en los próximos años o llevar varias generaciones más. Lo que es seguro es que la comunidad científica seguirá volcando sus esfuerzos en tratar de responderla.