Metal

Jun 02, 2023

Las estrellas que contienen cantidades comparativamente grandes de elementos pesados ​​proporcionan condiciones menos favorables para el surgimiento de vida compleja que las estrellas pobres en metales, como han descubierto científicos de los Institutos Max Planck para la Investigación del Sistema Solar y de Química, así como de la Universidad de Göttingen. .El equipo mostró cómo la metalicidad de una estrella está relacionada con la capacidad de sus planetas para rodearse de una capa protectora de ozono. Crucial para esto es la intensidad de la luz ultravioleta que la estrella emite al espacio, en diferentes rangos de longitud de onda. El estudio proporciona a los científicos que buscan en el cielo con telescopios espaciales sistemas estelares habitables con pistas importantes sobre dónde este esfuerzo podría ser particularmente prometedor. También sugiere una conclusión sorprendente: a medida que el universo envejece, se vuelve cada vez más hostil al surgimiento de vida compleja en nuevos planetas.

En la búsqueda de planetas habitables o incluso habitados que orbiten estrellas distantes, en los últimos años los investigadores se han centrado cada vez más en las envolturas gaseosas de estos mundos. ¿Los datos de observación muestran evidencia de una atmósfera? ¿Quizás incluso contiene gases como el oxígeno o el metano, que en la Tierra se producen casi exclusivamente como productos metabólicos de formas de vida? En los próximos años, tales observaciones serán llevadas a nuevos límites: el Telescopio James Webb de la NASA permitirá no solo caracterizar las atmósferas de grandes gigantes gaseosos como Super-Neptunes, sino también analizar por primera vez las señales espectrográficas mucho más débiles. de atmósferas de planetas rocosos.

Con la ayuda de simulaciones numéricas, el estudio actual, que se publicó en Nature Communications, ahora se centra en el contenido de ozono de las atmósferas de los exoplanetas. Al igual que en la Tierra, este compuesto de tres átomos de oxígeno puede proteger la superficie del planeta (y las formas de vida que residen en ella) de la radiación ultravioleta (UV) que daña las células. Una capa protectora de ozono es, por lo tanto, un requisito previo importante para el surgimiento de vida compleja. "Queríamos entender qué propiedades debe tener una estrella para que sus planetas formen una capa protectora de ozono", explica la idea básica Anna Shapiro, científica del Instituto Max Planck para la Investigación del Sistema Solar y primera autora del estudio actual.

Como sucede a menudo en la ciencia, esta idea fue provocada por un hallazgo anterior. Hace tres años, investigadores dirigidos por el Instituto Max Planck para la Investigación del Sistema Solar compararon las variaciones de brillo del Sol con las de cientos de estrellas similares al Sol. El resultado: la intensidad de la luz visible de muchas de estas estrellas fluctúa mucho más que en el caso del Sol. "Vimos grandes picos de intensidad", dice Alexander Shapiro, quien participó tanto en los análisis de hace tres años como en el estudio actual. "Por lo tanto, es muy posible que el Sol también sea capaz de tales picos de intensidad. En ese caso, también la intensidad de la luz ultravioleta aumentaría dramáticamente", agrega. "Así que, naturalmente, nos preguntamos qué significaría esto para la vida en la Tierra y cómo es la situación en otros sistemas estelares", dice Sami Solanki, director del Instituto Max Planck para la Investigación del Sistema Solar y coautor de ambos estudios.

En la superficie de aproximadamente la mitad de todas las estrellas alrededor de las cuales se ha demostrado que orbitan los exoplanetas, las temperaturas oscilan entre los 5.000 y los 6.000 grados centígrados. Por lo tanto, en sus cálculos, los investigadores recurrieron a este subgrupo. Con una temperatura superficial de aproximadamente 5.500 grados centígrados, el Sol también es uno de ellos. "En la química atmosférica de la Tierra, la radiación ultravioleta del Sol juega un papel doble", explica Anna Shapiro, cuyo interés de investigación anterior se centró en la influencia de la radiación solar en la atmósfera de la Tierra. En reacciones con átomos de oxígeno individuales y moléculas de oxígeno, el ozono puede crearse y destruirse. Mientras que la radiación UV-B de onda larga destruye el ozono, la radiación UV-C de onda corta ayuda a crear ozono protector en la atmósfera media. "Por lo tanto, era razonable suponer que la luz ultravioleta también puede tener una influencia compleja similar en las atmósferas de los exoplanetas", agrega el astrónomo. Las longitudes de onda precisas son cruciales.

Por lo tanto, los investigadores calcularon exactamente qué longitudes de onda componen la luz ultravioleta emitida por las estrellas. Por primera vez, también consideraron la influencia de la metalicidad. Esta propiedad describe la proporción de hidrógeno a elementos más pesados ​​(llamados "metales" por los astrofísicos de forma simplista y algo engañosa) en el material de construcción de la estrella. En el caso del Sol, hay más de 31.000 átomos de hidrógeno por cada átomo de hierro. El estudio también consideró estrellas con menor y mayor contenido de hierro.

En un segundo paso, el equipo investigó cómo la radiación ultravioleta calculada afectaría las atmósferas de los planetas que orbitan a una distancia favorable para la vida alrededor de estas estrellas. Las distancias favorables a la vida son aquellas que permiten temperaturas moderadas, ni demasiado calientes ni demasiado frías para el agua líquida, en la superficie del planeta. Para tales mundos, el equipo simuló en la computadora exactamente qué procesos de la luz ultravioleta característica de la estrella madre se ponen en movimiento en la atmósfera del planeta.

Para calcular la composición de las atmósferas planetarias, los investigadores utilizaron un modelo químico-climático que simula los procesos que controlan el oxígeno, el ozono y muchos otros gases, y sus interacciones con la luz ultravioleta de las estrellas, a una resolución espectral muy alta. Este modelo permitió la investigación de una amplia variedad de condiciones en los exoplanetas y la comparación con la historia de la atmósfera terrestre en los últimos quinientos millones de años. Durante este período se estableció el alto contenido de oxígeno atmosférico y la capa de ozono que permitió la evolución de la vida terrestre en nuestro planeta. "Es factible que la historia de la Tierra y su atmósfera contenga pistas sobre la evolución de la vida que también pueden aplicarse a los exoplanetas", dice Jos Lelieveld, director general del Instituto Max Planck de Química, que participó en el estudio.

Los resultados de las simulaciones fueron sorprendentes para los científicos. En general, las estrellas pobres en metales emiten más radiación ultravioleta que sus contrapartes ricas en metales. Pero la relación entre la radiación UV-C que genera ozono y la radiación UV-B que destruye el ozono también depende críticamente de la metalicidad: en las estrellas pobres en metales, predomina la radiación UV-C, lo que permite que se forme una capa de ozono densa. Para las estrellas ricas en metales, con su radiación UV-B predominante, esta envoltura protectora es mucho más escasa. "Contrariamente a las expectativas, las estrellas pobres en metales deberían proporcionar condiciones más favorables para el surgimiento de la vida", concluye Anna Shapiro.

Este hallazgo podría ser útil para futuras misiones espaciales, como la misión Plato de Esa, que examinará una amplia gama de estrellas en busca de signos de exoplanetas habitables. Con 26 telescopios a bordo, la sonda del mismo nombre se lanzará al espacio en 2026 y centrará su atención principalmente en planetas similares a la Tierra que orbitan estrellas similares al Sol a distancias favorables para la vida. El centro de datos de la misión se está instalando actualmente en el Instituto Max Planck para la Investigación del Sistema Solar. "Nuestro estudio actual nos brinda pistas valiosas sobre a qué estrellas debe prestar especial atención Platón", dice Laurent Gizon, director gerente del Instituto y coautor del estudio actual.

Además, el estudio arroja una conclusión casi paradójica: a medida que el universo envejece, es probable que se vuelva cada vez más hostil a la vida. Los metales y otros elementos pesados ​​se forman dentro de las estrellas al final de su vida útil de varios miles de millones de años y, dependiendo de la masa de la estrella, se liberan al espacio como viento estelar o en una explosión de supernova: el material de construcción para la próxima generación. de estrellas "Por lo tanto, cada estrella recién formada tiene más material de construcción rico en metales disponible que sus predecesoras. Las estrellas del universo se están volviendo más ricas en metales con cada generación", dice Anna Shapiro. Según el nuevo estudio, la probabilidad de que los sistemas estelares produzcan vida también disminuye a medida que el universo envejece. Sin embargo, la búsqueda de vida no es desesperada. Después de todo, muchas estrellas anfitrionas de exoplanetas tienen una edad similar a la del Sol. Y se sabe que esta estrella alberga formas de vida complejas e interesantes en al menos uno de sus planetas.

- Este comunicado de prensa se publicó originalmente en el sitio web de Max-Planck-Gesellschaft