Usando la Luna para practicar la identificación de oxígeno en exoplanetas potencialmente habitables
Aprovechando un eclipse lunar total, los astrónomos que utilizan el Telescopio Espacial Hubble de la NASA han detectado ozono en nuestra atmósfera. Este método simula cómo los astrónomos y los investigadores de astrobiología buscarán evidencias de vida más allá de la Tierra observando potenciales «bioseñales» en exoplanetas (planetas alrededor de otras estrellas).
El Hubble no miró a la Tierra directamente. En su lugar, los astrónomos usaron la Luna como un espejo para reflejar la luz del Sol, que había pasado a través de la atmósfera de la Tierra, y luego se reflejó de nuevo hacia el Hubble. El uso de un telescopio espacial para observaciones de eclipses reproduce las condiciones bajo las cuales los futuros telescopios medirán las atmósferas de los exoplanetas en tránsito frente a sus estrellas. Estas atmósferas pueden contener sustancias químicas de interés para la astrobiología, el estudio y la búsqueda de vida.
Aunque se han realizado previamente numerosas observaciones terrestres de este tipo, esta es la primera vez que se ha capturado un eclipse lunar total en longitudes de onda ultravioleta y desde un telescopio espacial. El Hubble detectó la fuerte huella espectral del ozono, que absorbe parte de la luz solar. El ozono es importante para la vida porque es la fuente del escudo protector en la atmósfera de la Tierra.
En la Tierra, a lo largo de miles de millones de años, la fotosíntesis ha sido responsable de los altos niveles de oxígeno y la gruesa capa de ozono de nuestro planeta. Esa es una razón por la que los científicos piensan que el ozono o el oxígeno podrían ser un signo de vida en otro planeta, y se refieren a ellos como bioseñales.
«Encontrar ozono es significativo porque es un subproducto fotoquímico del oxígeno molecular, que es en sí mismo un subproducto de la vida», explicó Allison Youngblood del Laboratorio de Física Atmosférica y Espacial en Boulder, Colorado, investigadora principal de las observaciones del Hubble.
Aunque el ozono en la atmósfera de la Tierra había sido detectado en anteriores observaciones terrestres durante eclipses lunares, el estudio del Hubble representa la detección más fuerte de la molécula hasta la fecha porque el ozono – medido desde el espacio sin interferencia de otras sustancias químicas en la atmósfera de la Tierra – absorbe la luz ultravioleta con mucha fuerza.
El Hubble registró el ozono absorbiendo parte de la radiación ultravioleta del Sol que pasó por el borde de la atmósfera de la Tierra durante un eclipse lunar que ocurrió el 20 y 21 de enero de 2019. Varios otros telescopios terrestres también hicieron observaciones espectroscópicas en otras longitudes de onda durante el eclipse, buscando más ingredientes atmosféricos de la Tierra, como el oxígeno y el metano.
«Uno de los principales objetivos de la NASA es identificar los planetas que podrían sostener la vida», dijo Youngblood. «¿Pero cómo podríamos conocer un planeta habitable o deshabitado si viéramos uno? ¿Cómo se verían con las técnicas que los astrónomos tienen a su disposición para caracterizar las atmósferas de los exoplanetas? Por eso es importante desarrollar modelos del espectro de la Tierra como plantilla para categorizar las atmósferas de los planetas extrasolares». Su artículo está disponible en la revista The Astronomical Journal.
Las atmósferas de algunos planetas extrasolares pueden ser sondeadas si el mundo alienígena pasa a través de la cara de su estrella madre, un evento llamado tránsito. Durante un tránsito, la luz de la estrella se filtra a través de la atmósfera del exoplaneta iluminado. (Si se observa de cerca, la silueta del planeta parecería que tiene un «halo» delgado y brillante a su alrededor causado por la atmósfera iluminada, tal como lo hace la Tierra cuando se la ve desde el espacio).
Las sustancias químicas en la atmósfera dejan su firma reveladora al filtrar ciertos colores de la luz estelar. Los astrónomos que utilizan el Hubble fueron pioneros en esta técnica de sondeo de exoplanetas. Esto es particularmente notable porque los planetas extrasolares aún no habían sido descubiertos cuando el Hubble fue lanzado en 1990 y el observatorio espacial no fue diseñado inicialmente para tales experimentos.
Hasta ahora, los astrónomos han utilizado el Hubble para observar las atmósferas de los planetas gigantes gaseosos y las súper-Tierras (planetas con varias veces la masa de la Tierra) que transitan por delante de sus estrellas. Pero los planetas terrestres del tamaño de la Tierra son objetos mucho más pequeños y sus atmósferas son más delgadas, como la piel de una manzana. Por lo tanto, sacar estas firmas de los exoplanetas del tamaño de la Tierra será mucho más difícil.
Por eso los investigadores necesitarán telescopios espaciales mucho más grandes que el Hubble para recoger la débil luz estelar que pasa a través de las atmósferas de estos pequeños planetas durante un tránsito. Estos telescopios necesitarán observar los planetas por un período más largo, muchas docenas de horas, para construir una señal fuerte.
Para prepararse para estos grandes telescopios, los astrónomos decidieron llevar a cabo experimentos en un planeta terrestre habitado mucho más cercano y conocido: la Tierra. La perfecta alineación de nuestro planeta con el Sol y la Luna durante un eclipse total de Luna imita la geometría de un planeta terrestre en tránsito por su estrella.
Pero las observaciones también fueron un desafío porque la Luna es muy brillante, y su superficie no es un reflector perfecto porque está moteada con zonas brillantes y oscuras. La Luna también está tan cerca de la Tierra que el Hubble tuvo que tratar de mantener un ojo fijo en una región selecta, a pesar del movimiento de la Luna en relación con el observatorio espacial. Así que el equipo de Youngblood tuvo que dar cuenta de la deriva de la Luna en su análisis.
Encontrar ozono en los cielos de un planeta terrestre extrasolar no garantiza que exista vida en la superficie. «Se necesitarían otras firmas espectrales además del ozono para concluir que había vida en el planeta, y estas firmas no se pueden ver necesariamente con luz ultravioleta», dijo Youngblood.
En la Tierra, el ozono se forma de forma natural cuando el oxígeno de la atmósfera terrestre se expone a fuertes concentraciones de luz ultravioleta. El ozono forma una manta alrededor de la Tierra, protegiéndola de los fuertes rayos ultravioleta.
«La fotosíntesis podría ser el metabolismo más productivo que puede evolucionar en cualquier planeta, porque se alimenta de la energía de la luz estelar y utiliza elementos cósmicamente abundantes como el agua y el dióxido de carbono», dijo Giada Arney del Centro de Vuelos Espaciales Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland, un co-autor del documento científico. «Estos ingredientes necesarios deberían ser comunes en los planetas habitables».
La variabilidad estacional en la firma del ozono también podría indicar la producción biológica estacional de oxígeno, como lo hace con las estaciones de crecimiento de las plantas en la Tierra.
Pero el ozono también puede ser producido sin la presencia de vida cuando el nitrógeno y el oxígeno son expuestos a la luz solar. Para aumentar la confianza de que una bioseñal dada está realmente producida por la vida, los astrónomos deben buscar combinaciones de bioseñales. Se necesita una campaña de múltiples longitudes de onda porque cada una de las muchas bioseñales se detecta más fácilmente en las longitudes de onda específicas de esas firmas.
«Los astrónomos también tendrán que tener en cuenta la etapa de desarrollo del planeta cuando miren estrellas más jóvenes con planetas jóvenes. Si se quisiera detectar el oxígeno o el ozono de un planeta similar a la Tierra temprana, cuando había menos oxígeno en nuestra atmósfera, las características espectrales en la luz óptica e infrarroja no son lo suficientemente fuertes», explicó Arney. «Creemos que la Tierra tenía bajas concentraciones de ozono antes del período geológico del Proterozoico medio (entre hace aproximadamente 2.000 y 700 millones de años) cuando la fotosíntesis contribuyó a la acumulación de oxígeno y ozono en la atmósfera hasta los niveles que vemos hoy en día. Pero debido a que la firma en luz ultravioleta de las características del ozono es muy fuerte, tendrías la esperanza de detectar pequeñas cantidades de ozono. Por lo tanto, el ultravioleta puede ser la mejor longitud de onda para detectar vida fotosintética en exoplanetas de bajo oxígeno«.
La NASA tiene un observatorio en ciernes llamado Telescopio Espacial James Webb que podría hacer tipos similares de mediciones en luz infrarroja, con el potencial de detectar metano y oxígeno en las atmósferas de los exoplanetas. Actualmente, el lanzamiento de Webb está programado para el año 2021. (Fuente: NCYT Amazings)
