¿Quieres un poco de hielo con tu exoplaneta? Para mundos similares a la Tierra, eso puede ser una tarea difícil

Representación de un artista de Kepler-186f, un exoplaneta del tamaño de la Tierra, que muestra una superficie hipotética que incluye una cobertura parcial de hielo en los polos. 
Créditos: NASA Ames / Instituto SETI / JPL-Caltech.

Los exoplanetas están experimentando un aumento estratosférico. En las tres décadas transcurridas desde el primer planeta confirmado en órbita alrededor de otra estrella, los científicos han catalogado más de 4.000 de ellos. A medida que crece la lista, también lo hace el deseo de encontrar exoplanetas similares a la Tierra y de determinar si podrían ser oasis que sustenten la vida como nuestro propio globo.

Las próximas décadas deberían ver el lanzamiento de nuevas misiones que pueden recopilar cantidades cada vez mayores de datos sobre exoplanetas. Anticipándose a estos esfuerzos futuros, un equipo de la Universidad de Washington y la Universidad de Berna ha simulado computacionalmente más de 200.000 mundos hipotéticos similares a la Tierra, planetas que tienen el mismo tamaño, masa, composición atmosférica y geografía que la Tierra moderna, todos en órbita de estrellas como nuestro Sol. Su objetivo era modelar qué tipos de entornos los astrónomos pueden esperar encontrar en exoplanetas reales similares a la Tierra.

Como informan en un artículo aceptado en el Planetary Science Journal y enviado el 6 de Diciembre al sitio de preimpresión arXiv, en estos exoplanetas simulados, a menudo faltaba una característica común de la Tierra actual: la cobertura parcial de hielo.

«Básicamente, simulamos el clima de la Tierra en mundos alrededor de diferentes tipos de estrellas, y encontramos que en el 90% de los casos con agua líquida en la superficie, no hay capas de hielo, como casquetes polares», dijo el coautor Rory Barnes, de la Universidad de Washington, Profesor de Astronomía y Científico del Laboratorio Planetario Virtual de la Universidad de Washington. «Cuando hay hielo, vemos que los cinturones de hielo (hielo permanente a lo largo del ecuador) son en realidad más probables que los casquetes polares».

Los hallazgos arrojan luz sobre la compleja interacción entre el agua líquida y el hielo en mundos similares a la Tierra, según la autora principal Caitlyn Wilhelm, quien dirigió el estudio como estudiante de pregrado en el Departamento de Astronomía de la Universidad de Washington.

“Observar la cobertura de hielo en un planeta similar a la Tierra puede decir mucho sobre si es habitable”, dijo Wilhelm, quien ahora es una Científica Investigadora del Laboratorio Planetario Virtual. «Queríamos comprender todos los parámetros (la forma de la órbita, la inclinación axial, el tipo de estrella) que afectan si hay hielo en la superficie y, de ser así, dónde».

Una imagen compuesta de la capa de hielo que cubre la región ártica de la Tierra, incluido el Polo Norte, tomada a 512 millas (768 kilómetros) sobre nuestro planeta el 12 de Abril de 2018 por el satélite en órbita polar NOAA-20. 
Crédito: NOAA.

Planteando las simulaciones para exoplanetas tipo Tierra entorno a estrellas de tipo F, G o K

El equipo utilizó un modelo de balance de energía 1-D (de una sola dimensión), que imita computacionalmente el flujo de energía entre el ecuador y los polos de un planeta, para simular los climas en miles de exoplanetas hipotéticos en varias configuraciones orbitales alrededor de estrellas de tipo F, G o K. Estas clases de estrellas, que incluyen a nuestro propio Sol de tipo G, son candidats prometedoras para albergar mundos amigables con la vida en sus zonas habitables, también conocidas como la zona “Ricitos de oro”. Las estrellas de tipo F son un poco más calientes y más grandes que nuestro Sol. Las estrellas de tipo K son ligeramente más frías y más pequeñas.

En sus simulaciones, las órbitas de los exoplanetas variaron de circular a un óvalo pronunciado. El equipo también consideró inclinaciones axiales que van de 0 a 90 grados. La inclinación axial de la Tierra es de 23,5 grados moderados. Un planeta con una inclinación de 90 grados se “sentaría de costado” y experimentaría variaciones climáticas extremas estacionales, al igual que el planeta Urano.

Según las simulaciones, que abarcaron un período de tiempo de 1 millón de años en cada mundo, los mundos similares a la Tierra mostraron climas que iban desde climas de «bola de nieve» en todo el planeta, con hielo presente en todas las latitudes, hasta un «invernadero húmedo» humeante, que es probablemente similar al clima de Venus antes de que un efecto invernadero descontrolado calentara su superficie lo suficiente como para derretir el plomo. Pero a pesar de que la mayoría de los entornos en las simulaciones se ubicaron en algún lugar entre esos extremos, el hielo superficial parcial estaba presente en solo alrededor del 10% de los exoplanetas hipotéticos y habitables.

Incluyendo las variaciones naturales en el tiempo de la inclinación y la órbita

El modelo incluyó variaciones naturales a lo largo del tiempo en la inclinación axial y la órbita de cada mundo, lo que en parte explica la falta general de hielo en los exoplanetas habitables, según el coautor Russell Deitrick, científico postdoctoral de la Universidad de Berna e investigador del Laboratorio Planetario Virtual.

“Las órbitas y las inclinaciones axiales siempre están cambiando”, dijo Deitrick. “En la Tierra, estas variaciones se denominan ciclos de Milankovitch y tienen una amplitud muy pequeña. Pero para los exoplanetas, estos cambios pueden ser bastante grandes, lo que puede eliminar el hielo por completo o desencadenar estados de ‘bola de nieve’”.

Ocurrencia de Casquetes polares y Cinturones de hielo según el tipo de estrella

Cuando había hielo parcial, su distribución variaba según la estrella. Alrededor de las estrellas de tipo F, los casquetes polares, como los que exhibe actualmente la Tierra, se encontraron aproximadamente tres veces más a menudo que los cinturones de hielo, mientras que los cinturones de hielo ocurrieron dos veces más a menudo que los casquetes de los planetas alrededor de estrellas de tipo G y K. Los cinturones de hielo también eran más comunes en mundos con inclinaciones axiales extremas, probablemente porque los extremos estacionales mantienen los climas polares más volátiles que las regiones ecuatoriales, según Wilhelm.

Representación de un artista de la Tierra antigua en un estado de bola de nieve. 
Crédito: NASA.

Aplicaciones del estudio

Los hallazgos del equipo sobre el hielo en estos mundos simulados similares a la Tierra deberían ayudar en la búsqueda de mundos potencialmente habitables al mostrarles a los astrónomos lo que pueden esperar encontrar, especialmente con respecto a la distribución del hielo y los tipos de climas.

“El hielo de la superficie es muy reflectante y puede moldear el aspecto de un exoplaneta a través de nuestros instrumentos”, dijo Wilhelm. «La presencia de hielo o no también puede determinar cómo cambiará el clima a largo plazo, ya sea que llegue a un extremo, como una ‘Tierra de bola de nieve’ o un invernadero fuera de control, o algo más moderado».

Sin embargo, el hielo solo, o su ausencia, no determina la habitabilidad.

“La habitabilidad abarca muchas partes móviles, no solo la presencia o ausencia de hielo”, dijo Wilhelm.

La vida en la Tierra ha sobrevivido a períodos de bolas de nieve, así como a cientos de millones de años sin hielo, según Barnes.

“Nuestro propio planeta ha visto algunos de estos extremos en su propia historia”, dijo Barnes. «Esperamos que este estudio sienta las bases para las próximas misiones para buscar firmas habitables en atmósferas de exoplanetas, e incluso para obtener imágenes de exoplanetas directamente, mostrando lo que es posible, lo que es común y lo que es raro».

Rachel Mellman, una recién graduada en Astronomía de la Universidad de Washington, es coautora del artículo. La investigación fue financiada por la NASA a través de subvenciones al Laboratorio Planetario Virtual.

Fuente: Universidad de Washington (UW), Seattle.

Artículo original: Would you like a little ice with your exoplanet?’ For Earth-like worlds, that may be a tall order‘. James Urton. December 8, 2021.

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