Oxidación ¿Para qué sirve? Pues literalmente para todo.

Nota: Este artículo es una traducción al español del artículo Oxidation! What is it good for? Literally everything. escrito por Isabella Trierweiler.

 

• Título del artículo original: A mineralogical reason why all exoplanets cannot be equally oxidising
• Autoras/es: Claire Marie Guimond, Oliver Shorttle, Sean Jordan, John F. Rudge
• Institución del primera autora: Department of Earth Sciences, University of Cambridge, Downing Street, Cambridge CB2 3EQ, UK
• Estado de la publicación: Publicado en MNRAS, acceso abierto en arXiv.

Conforme la rama de los exoplanetas avanza, la astronomía y la geoquímica se acercan cada vez más. Una de las ideas de la geoquímica que ahora se traspasa a la ciencia de los exoplanetas es la fugacidad de oxígeno (fO2), que es un parámetro que mide la oxidación de una roca. La oxidación es importante porque provoca muchas reacciones químicas que determinan la evolución de un planeta, incluyendo la estructura interna del planeta y la composición de su atmósfera.

Les autores del astrobito de hoy usan las abundancias elementales de las estrellas para restringir el posible rango de estados de oxidación de los exoplanetas. ¡Y demuestran que la oxidación podría producir diferencias observables en las atmósferas de los exoplanetas!

Típicamente, podemos medir la oxidación estudiando cómo el hierro en una roca se distribuye entre los diferentes estados de oxidación. Por ejemplo, se suele comparar la concentración de hierro puro con la de óxidos de hierro (hierro unido al oxígeno en la roca). Pero los planetas no son estáticos y, a medida que los minerales de la roca reaccionen y cambien, también lo hará la distribución de hierro entre los diferentes estados de oxidación. Por lo tanto, es prácticamente imposible saber con certeza la distribución de los estados de oxidación del hierro en un exoplaneta. Sin embargo, como la formación de minerales del planeta aleja el valor de fO2 de su valor original, el equipo firmante del artículo sostiene que podemos entender la variación en la oxidación únicamente basándonos en las variaciones de su composición. Diferentes composiciones corresponderán a diferentes abundancias de minerales posibles, que a su vez determinarán la desviación de fO2 respecto a su valor inicial durante la formación del planeta.

De las estrellas a los minerales 

La muestra de estrellas usadas en este estudio proviene del catálogo de Hipatia, el cual incluye miles de estrellas de diferentes tipos. Por lo general, la cantidad relativa de los elementos más refractarios en las estrellas, como el silicio (Si), magnesio (Mg) o el hierro (Fe), representan el material disponible para la formación planetaria y, por lo tanto, también la composición de cualquier planeta que se forme en el sistema. De este modo, el grupo de investigación toma las abundancias de los elementos en las estrellas del catálogo de Hipatia como representativas de las rocas que se podrían formar alrededor de estas estrellas.

Es de particular interés la oxidación en la parte alta de los mantos de los exoplanetas, ya que los mantos superiores son propensos a fundirse en magmas y acabarán siendo responsables de emitir a la atmósfera del planeta diferentes especies de gases. Para transformar las abundancias estelares en estimaciones razonables para los mantos superiores, es necesario eliminar un poco de hierro, que acaba en el núcleo del planeta, además de algo de los elementos más volátiles. Para cada estrella, se modelan diferentes reacciones químicas de los minerales para averiguar qué composición de minerales es estable dada la abundancia medida de elementos. En este proceso, se debe tener en cuenta el enfriamiento del manto del planeta hasta que el material se solidifica. Finalmente, las propiedades termodinámicas de la composición mineral estable resultante se usan para calcular la fO2.

La Figura 1 muestra que el principal responsable de la variación de fO2 en el manto superior es la fracción de Mg sobre Si en la roca (o en la estrella, en este caso). Esto es debido a que la abundancia de Mg/Si determina directamente la proporción de dos minerales importantes, el olivino y el ortopiroxeno, que influyen enormemente en la distribución de hierro. A pesar de que fO2 depende de la distribución del hierro, la cantidad total de hierro basada en la metalicidad de la estrella no tiene un gran efecto en la fugacidad de oxígeno.

Los efectos atmosféricos de fO2

La fugacidad de oxígeno tiene muchos efectos, pero el que puede ser más fácilmente observable en un futuro cercano es la influencia de la fO2 en la composición atmosférica. Los magmas que se crean en el manto superior pueden contribuir a emitir gases interesantes a la atmósfera, como CO, CO2, agua y H2. Y como habrás podido adivinar, ¡las cantidades relativas de estos gases están determinadas por fO2! Los planetas son sistemas complejos, por lo que fO2 puede no ser el único determinante en la composición atmosférica. La radiación de la estrella huésped y las interacciones entre la atmósfera y otros componentes del planeta pueden influir en las diferentes especies químicas de la atmósfera.

Sin embargo, les investigadores de este trabajo demuestran que la fO2 puede proporcionar un exceso en algunas especies, haciéndolas un poco más fáciles de detectar. La Figura 2 muestra los incrementos calculados con respecto a dos estados de oxidación de referencia estándares, así como para una atmósfera que podría proceder directamente del disco protoplanetario (las dos gráficas de la izquierda) y de una atmósfera similar a Venus (las dos figuras de la derecha). La desviación respecto a cero representa cuánto puede influir una variación en la mineralogía, a través de fO2, en las abundancias de estas especies. El efecto es especialmente elevado para el CO, el SO2 y el metano, los cuales pueden ser incrementados más allá de los límites de detección debido a la fO2.

Aún queda mucho por entender sobre el papel de la fO2 en los exoplanetas y sobre cómo los efectos de oxidación se entrelazan con otros aspectos de la formación y evolución de los planetas. ¡Pero este estudio abre nuevas y emocionantes formas de pensar sobre la química de los exoplanetas!

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