Un planeta sin atmósfera… hasta que algo lo golpea

Datos del artículo científico del que hablaremos en este astrobito:

• Título: Atmospheric collapse and re-inflation through impacts for terrestrial planets around M dwarfs
• Autores: Prune C. August, Robin Wordsworth, Mikayla Huffman, et. al.
• Institución del primer autor: Technical University of Denmark, Department of Space Research and Technology
• Estado: Acceso abierto en arXiv.

Un exoplaneta rocoso, inicialmente sin atmósfera, consigue una nueva atmósfera millones de años después

Durante años, la comunidad astronómica ha asumido que los mundos rocosos que orbitan las estrellas más comunes de la galaxia, las enanas M, estaban condenados a ser áridos y desolados. Bañados por una intensa radiación estelar y bloqueados de manera tal que un hemisferio vive en un día eterno mientras el otro permanece en una noche sin fin, estos planetas deberían perder sus atmósferas muy pronto y nunca recuperarlas.

Pero una nueva investigación sugiere que este panorama tan sombrío podría estar pasando por alto algo sorprendente: los impactos de meteoritos podrían reinflar la atmósfera de estos planetas de forma periódica, otorgándoles fugaces respiros de aire que durarían millones, o incluso miles de millones, de años.

Lecciones de mundos conocidos

Ya sabemos que los impactos de meteoritos pueden moldear drásticamente un planeta. El impacto de Chicxulub en la Tierra (el famoso evento que hizo desaparecer a los dinosaurios) vaporizó roca, desató un cambio climático global, y reinició los ecosistemas terrestres. En Marte, en cambio, recientes investigaciones han sugerido que colisiones en el planeta podrían explicar las antiguas redes de valles al inyectar calor y compuestos volátiles en una atmósfera que alguna vez fue delgada.

Pero no sólo las colisiones de meteoritos determinan pueden el estado de una atmósfera. En nuestro Sistema Solar, vemos cuerpos cuyas atmósferas colapsan y se reinflan a medida que cambian las condiciones. La atmósfera de dióxido de azufre (SO2) de Ío literalmente desaparece cuando la luna se sumerge en la sombra de Júpiter y reaparece momentos después!

Estos son algunos ejemplos que nos muestran como tener una atmósfera no es necesariamente una constante a lo largo de la vida de un planeta.

Atmósferas atrapadas que solo un impacto puede liberar

Ahora, imaginémonos este escenario: Un exoplaneta rocoso que orbita cerca de una estrella enana M. Las temperaturas diarias en el lado diurno se disparan, mientras que el lado nocturno, eternamente oculto de la luz, cae en un frío extremo. Con el tiempo, la radiación de alta energía despoja al planeta de su atmósfera. Una vez que la presión cae por debajo de un punto crítico, los gases restantes se condensan y se congelan en el helado hemisferio nocturno, formando enormes capas de hielo ricas en los mismos gases que alguna vez conformaron la atmósfera.

El resultado es una atmósfera colapsada: una atmósfera que se congela y se deposita sobre la superficie del planeta o la luna a la que pertenece. Para telescopios como el Telescopio Espacial James Webb (JWST), el planeta ahora parece no tener rastro alguno de una atmósfera existente. Pero todos esos volátiles siguen ahí, atrapados como hielo en la superficie del planeta.

Pasan unos cientos de millones de años, un cometa o un asteroide de 5 a 10 kilómetros de diámetro colisiona con el lado nocturno del planeta. El impacto es breve, pero la energía liberada es descomunal. El hielo se vaporiza al instante. Una pluma incandescente de roca y gas irradia calor por toda la superficie, desencadenando un deshielo y una sublimación descontrolados. Lo que sigue es un ciclo hidrológico efímero: se forman nubes, caen lluvias ácidas, el agua se reevapora sobre una capa planetaria de roca fundida. Y de repente… el planeta vuelve a tener atmósfera! Lo bastante densa para calentar el lado nocturno, lo bastante estable para perdurar.

Representación esquemática del ciclo de vida dinámico sugerido para la atmósfera de un planeta rocoso.

Este es el escenario que propone el grupo detrás de esta investigación: uno en el que la atmósfera de los planetas alrededor de enanas M se vacía y se reconstruye dinámicamente, a medida que los meteoritos los golpean a lo largo de su vida.

¿Con qué frecuencia renace una atmósfera?

Para entender cuán comunes podrían ser estas atmósferas “renacidas”, el equipo detrás de este trabajo realizó decenas de miles de simulaciones de planetas orbitando enanas M a distintas distancias, bajo diferentes tasas de bombardeo meteórico, y desgasificación volcánica. En lugar de preguntar si un planeta tiene atmósfera hoy, formularon una pregunta más interesante: ¿Con qué frecuencia tiene atmósfera este planeta a lo largo de toda su vida?

Los resultados son sorprendentemente optimistas. A tasas de impacto moderadas (alrededor de 1 a 100 colisiones por cada mil millones de años), el mecanismo funciona a la perfección. Con muy pocos impactos, el depósito de hielo nunca se activa. Con demasiados, el planeta no alcanza a acumular recursos volátiles. Pero en el punto justo, los impactos regeneran atmósferas densas que pueden perdurar entre decenas y cientos de millones de años. En algunos casos, especialmente en los planetas más alejados de su estrella, esas atmósferas transitorias pueden sobrevivir más de mil millones de años.

Las simulaciones muestran que, cuando el planeta no está demasiado cerca de su estrella y el diámetro del meteorito es lo suficientemente grande (dos paneles inferiores), se desencadena la revaporización de la atmósfera, la cual, en algunos casos, puede persistir durante miles de millones de años. Figura adaptada de la Figura 3 del artículo principal.

Paradójicamente, y de manera fascinante, colapsar una atmósfera podría ser una forma de salvarla. Una vez que los gases se congelan en el lado nocturno, quedan protegidos de la misma radiación estelar que de otro modo los habría barrido al espacio. En lugar de escapar, hibernan. Y cuando llega el momento, ya sea por vulcanismo, desgasificación o un cometa inoportuno, vuelven a despertar.

Una nueva forma de pensar los planetas rocosos

Tradicionalmente, hemos imaginado la evolución atmosférica como una curva suave: densa al nacer, adelgazándose con el tiempo, y terminando con un manto respirable… o con nada en absoluto. Este trabajo sugiere algo mucho más caótico y dinámico. Las atmósferas podrían encenderse y apagarse a lo largo de miles de millones de años, gobernadas por impactos aleatorios, cambios en la radiación estelar y el lento goteo de la actividad geológica interna.

Para la comunidad astronómica, esto tiene implicaciones enormes:

• La no detección de una atmósfera hoy no garantiza un mundo estéril.
• Los planetas del universo podrían estar en distintas fases de sus ciclos atmosféricos.

A medida que el JWST acelera su programa de 500 horas dedicado a los “Mundos Rocosos”, estas ideas no podrían ser más oportunas.

¿Qué sigue?

Estos resultados pueden cambiar la manera en la que estudiamos los planetas rocosos. Misiones futuras podrían enfocarse en buscar huellas químicas de atmósferas pasadas en estos planetas: patrones de oxidación en los hemisferios diurnos, indicios espectrales de volátiles que se han vuelto a condensar, y señales sutiles de colapsos atmosféricos recientes. De la misma forma, será esencial determinar las tasas de impacto en estos sistemas exoplanetarios, así como modelar atmósferas que contengan no sólo dióxido de carbono (CO2), sino también agua, nitrógeno y oxígeno.

Así pues, de ser correcta esta hipótesis, puede que en este momento, en algún rincón del universo, un exoplaneta rocoso, orbitando una enana M, esté esperando su próximo impacto para estrenar una nueva y fresca atmósfera.