La zona habitable también es llamada zona de Ricitos de Oro , metáfora , alusión y antonomasia del cuento infantil de " Ricitos de Oro y los tres osos ", en el que una niña elige entre conjuntos de tres elementos, rechazando los que son demasiado extremos (grandes o pequeños, calientes o fríos, etc.), y decidiéndose por el del medio, que es "el adecuado".
Desde que se presentó el concepto por primera vez en 1953, [6] se ha confirmado que muchas estrellas poseen un planeta HZ, incluidos algunos sistemas que consisten en múltiples planetas HZ. [7] La mayoría de estos planetas, ya sean supertierras o gigantes gaseosos , son más masivos que la Tierra, porque los planetas masivos son más fáciles de detectar . [8] El 4 de noviembre de 2013, los astrónomos informaron, basándose en datos del telescopio espacial Kepler , que podría haber hasta 40 mil millones de planetas del tamaño de la Tierra orbitando en las zonas habitables de estrellas similares al Sol y enanas rojas en la Vía Láctea . [9] [10] Aproximadamente 11 mil millones de estos pueden estar orbitando estrellas similares al Sol. [11] Proxima Centauri b , ubicada a unos 4,2 años luz (1,3 parsecs ) de la Tierra en la constelación de Centaurus , es el exoplaneta conocido más cercano y está orbitando en la zona habitable de su estrella. [12] La HZ también es de particular interés para el campo emergente de la habitabilidad de los satélites naturales , porque las lunas de masa planetaria en la HZ podrían superar en número a los planetas. [13]
En las décadas siguientes, el concepto de HZ comenzó a ser cuestionado como criterio primario para la vida, por lo que el concepto aún está evolucionando. [14] Desde el descubrimiento de evidencia de agua líquida extraterrestre , ahora se cree que existen cantidades sustanciales de ella fuera de la zona habitable circunestelar. El concepto de biosferas profundas , como la de la Tierra, que existen independientemente de la energía estelar, ahora se acepta generalmente en astrobiología dada la gran cantidad de agua líquida que se sabe que existe en las litosferas y astenosferas del Sistema Solar. [15] Sostenida por otras fuentes de energía, como el calentamiento de las mareas [16] [17] o la desintegración radiactiva [18] o presurizada por medios no atmosféricos, se puede encontrar agua líquida incluso en planetas rebeldes o sus lunas. [19] El agua líquida también puede existir en un rango más amplio de temperaturas y presiones como una solución , por ejemplo con cloruros de sodio en el agua de mar en la Tierra, cloruros y sulfatos en Marte ecuatorial , [20] o amoniatos, [21] debido a sus diferentes propiedades coligativas . Además, se han propuesto otras zonas circunestelares, donde solventes no acuosos favorables a la vida hipotética basada en bioquímicas alternativas podrían existir en forma líquida en la superficie. [22]
Historia
En los Principia de Newton (Libro III, Sección 1, coro 4) aparece una estimación del rango de distancias al Sol que permiten la existencia de agua líquida . [23] El filósofo Louis Claude de Saint-Martin especuló en su obra de 1802 El hombre: su verdadera naturaleza y su ministerio : "... podemos suponer que, al ser susceptible de vegetación, [la Tierra] ha sido colocada, en la serie de planetas, en el rango que era necesario, y exactamente a la distancia correcta del Sol, para lograr su objetivo secundario de vegetación; y de esto podemos inferir que los otros planetas están demasiado cerca o demasiado lejos del Sol para vegetar". [24]
El concepto de zona habitable circunestelar fue introducido por primera vez [25]
en 1913, por Edward Maunder en su libro "¿Están habitados los planetas?". [26] El concepto fue discutido más tarde en 1953 por Hubertus Strughold , quien en su tratado El planeta verde y el rojo: un estudio fisiológico de la posibilidad de vida en Marte , acuñó el término "ecosfera" y se refirió a varias "zonas" en las que podría surgir la vida. [6] [27] En el mismo año, Harlow Shapley escribió "Liquid Water Belt", que describió el mismo concepto con más detalles científicos. Ambos trabajos enfatizaron la importancia del agua líquida para la vida. [28] Su-Shu Huang , un astrofísico estadounidense, introdujo por primera vez el término "zona habitable" en 1959 para referirse al área alrededor de una estrella donde podría existir agua líquida en un cuerpo suficientemente grande, y fue el primero en introducirlo en el contexto de la habitabilidad planetaria y la vida extraterrestre. [29] [30] Huang, uno de los primeros grandes contribuyentes al concepto de zona habitable, argumentó en 1960 que las zonas habitables circunestelares y, por extensión, la vida extraterrestre, serían poco comunes en sistemas estelares múltiples , dadas las inestabilidades gravitacionales de esos sistemas. [31]
El concepto de zonas habitables fue desarrollado en 1964 por Stephen H. Dole en su libro Habitable Planets for Man , en el que discutió el concepto de zona habitable circunestelar, así como varios otros determinantes de la habitabilidad planetaria, estimando finalmente el número de planetas habitables en la Vía Láctea en unos 600 millones. [2] Al mismo tiempo, el autor de ciencia ficción Isaac Asimov introdujo el concepto de zona habitable circunestelar al público en general a través de sus diversas exploraciones de la colonización espacial . [32] El término " zona Goldilocks " surgió en la década de 1970, haciendo referencia específicamente a una región alrededor de una estrella cuya temperatura es "justa" para que haya agua presente en la fase líquida. [33] En 1993, el astrónomo James Kasting introdujo el término "zona habitable circunestelar" para referirse con más precisión a la región entonces (y todavía) conocida como zona habitable. [29] Kasting fue el primero en presentar un modelo detallado de la zona habitable de los exoplanetas. [3] [34]
Una actualización del concepto de zona habitable llegó en 2000 cuando los astrónomos Peter Ward y Donald Brownlee introdujeron la idea de la " zona habitable galáctica ", que más tarde desarrollaron con Guillermo González . [35] [36] La zona habitable galáctica, definida como la región donde es más probable que surja vida en una galaxia, abarca aquellas regiones lo suficientemente cercanas a un centro galáctico como para que las estrellas allí estén enriquecidas con elementos más pesados , pero no tan cerca como para que los sistemas estelares, las órbitas planetarias y el surgimiento de la vida se vean frecuentemente interrumpidos por la intensa radiación y las enormes fuerzas gravitacionales que se encuentran comúnmente en los centros galácticos. [35]
Posteriormente, algunos astrobiólogos proponen que el concepto se extienda a otros disolventes, incluidos el dihidrógeno, el ácido sulfúrico, el dinitrógeno, la formamida y el metano, entre otros, lo que apoyaría formas de vida hipotéticas que utilizan una bioquímica alternativa . [22] En 2013, se realizaron más desarrollos en los conceptos de zona habitable con la propuesta de una zona habitable circunplanetaria , también conocida como el "borde habitable", para abarcar la región alrededor de un planeta donde las órbitas de los satélites naturales no se verían alteradas y, al mismo tiempo, el calentamiento de las mareas del planeta no haría que el agua líquida se evaporara. [37]
Se ha observado que el término actual de "zona habitable circunestelar" plantea confusión, ya que el nombre sugiere que los planetas dentro de esta región poseerán un entorno habitable. [38] [39] Sin embargo, las condiciones de la superficie dependen de una serie de diferentes propiedades individuales de ese planeta. [38] [39] Este malentendido se refleja en los informes entusiasmados de "planetas habitables". [40] [41] [42] Dado que se desconoce por completo si las condiciones en estos mundos HZ distantes podrían albergar vida, se necesita una terminología diferente. [39] [41] [43] [44]
Determinación
Propiedades termodinámicas del agua que representan las condiciones en la superficie de los planetas terrestres: Marte está cerca del punto triple, la Tierra en el líquido y Venus cerca del punto crítico.El rango de estimaciones publicadas para la extensión de la HZ del Sol. La HZ conservadora [2] está indicada por una banda verde oscuro que cruza el borde interior del afelio de Venus , mientras que una HZ extendida, [45] que se extiende hasta la órbita del planeta enano Ceres , está indicada por una banda verde claro.
El hecho de que un cuerpo se encuentre en la zona habitable circunestelar de su estrella anfitriona depende del radio de la órbita del planeta (en el caso de los satélites naturales, de la órbita del planeta anfitrión), de la masa del propio cuerpo y del flujo radiativo de la estrella anfitriona. Dada la gran dispersión de las masas de los planetas dentro de una zona habitable circunestelar, junto con el descubrimiento de planetas del tipo supertierra que pueden mantener atmósferas más densas y campos magnéticos más fuertes que la Tierra, las zonas habitables circunestelares se dividen ahora en dos regiones separadas: una "zona habitable conservadora" en la que los planetas de menor masa como la Tierra pueden seguir siendo habitables, complementada por una "zona habitable extendida" más grande en la que un planeta como Venus, con efectos de invernadero más fuertes , puede tener la temperatura adecuada para que exista agua líquida en la superficie. [46]
Estimaciones del sistema solar
Las estimaciones de la zona habitable del Sistema Solar varían de 0,38 a 10,0 unidades astronómicas [ 47] [48] [49] [50], aunque llegar a estas estimaciones ha sido un desafío por diversas razones. Numerosos objetos de masa planetaria orbitan dentro o cerca de este rango y, como tales, reciben suficiente luz solar para elevar las temperaturas por encima del punto de congelación del agua. Sin embargo, sus condiciones atmosféricas varían sustancialmente.
El afelio de Venus, por ejemplo, toca el borde interior de la zona en la mayoría de las estimaciones y, aunque la presión atmosférica en la superficie es suficiente para el agua líquida, un fuerte efecto invernadero eleva las temperaturas de la superficie a 462 °C (864 °F) en las que el agua solo puede existir como vapor. [51] Las órbitas completas de la Luna , [52] Marte , [53] y numerosos asteroides también se encuentran dentro de varias estimaciones de la zona habitable. Solo en las elevaciones más bajas de Marte (menos del 30% de la superficie del planeta) la presión atmosférica y la temperatura son suficientes para que el agua, si está presente, exista en forma líquida durante períodos cortos. [54] En la cuenca Hellas , por ejemplo, las presiones atmosféricas pueden alcanzar 1115 Pa y temperaturas superiores a cero Celsius (aproximadamente el punto triple para el agua) durante 70 días en el año marciano. [54] A pesar de la evidencia indirecta en forma de flujos estacionales en las laderas cálidas de Marte , [55] [56] [57] [58] no se ha confirmado la presencia de agua líquida allí. Mientras que otros objetos orbitan parcialmente dentro de esta zona, incluidos los cometas, Ceres [59] es el único de masa planetaria. Una combinación de baja masa y una incapacidad para mitigar la evaporación y la pérdida de atmósfera contra el viento solar hacen imposible que estos cuerpos mantengan agua líquida en su superficie.
A pesar de esto, los estudios sugieren firmemente la existencia de agua líquida en el pasado en la superficie de Venus, [60] Marte, [61] [62] [63] Vesta [64] y Ceres, [65] [66] lo que sugiere un fenómeno más común de lo que se creía anteriormente. Dado que se piensa que el agua líquida sostenible es esencial para sustentar la vida compleja, la mayoría de las estimaciones, por lo tanto, se infieren del efecto que una órbita reposicionada tendría sobre la habitabilidad de la Tierra o Venus, ya que su gravedad superficial permite retener suficiente atmósfera durante varios miles de millones de años.
Según el concepto de zona habitable ampliada, los objetos de masa planetaria con atmósferas capaces de inducir suficiente forzamiento radiativo podrían poseer agua líquida más lejos del Sol. Dichos objetos podrían incluir aquellos cuyas atmósferas contienen un alto componente de gases de efecto invernadero y planetas terrestres mucho más masivos que la Tierra ( planetas de clase supertierra ), que han retenido atmósferas con presiones superficiales de hasta 100 kbar. No hay ejemplos de tales objetos en el Sistema Solar para estudiar; no se sabe lo suficiente sobre la naturaleza de las atmósferas de este tipo de objetos extrasolares, y su posición en la zona habitable no puede determinar el efecto neto de la temperatura de tales atmósferas, incluido el albedo inducido , el antiefecto invernadero u otras posibles fuentes de calor.
Como referencia, la distancia media al Sol de algunos cuerpos importantes dentro de las diversas estimaciones de la zona habitable es: Mercurio, 0,39 UA; Venus, 0,72 UA; Tierra, 1,00 UA; Marte, 1,52 UA; Vesta, 2,36 UA; Ceres y Palas, 2,77 UA; Júpiter, 5,20 UA; Saturno, 9,58 UA. En las estimaciones más conservadoras, solo la Tierra se encuentra dentro de la zona; en las estimaciones más permisivas, incluso Saturno en el perihelio o Mercurio en el afelio podrían estar incluidos.
Extrapolación extrasolar
Los astrónomos utilizan el flujo estelar y la ley del cuadrado inverso para extrapolar los modelos de zona habitable circunestelar creados para el Sistema Solar a otras estrellas. Por ejemplo, según la estimación de la zona habitable de Kopparapu, aunque el Sistema Solar tiene una zona habitable circunestelar centrada a 1,34 UA del Sol, [4] una estrella con 0,25 veces la luminosidad del Sol tendría una zona habitable centrada a 0,5 veces la distancia de la estrella, lo que corresponde a una distancia de 0,67 UA. Sin embargo, varios factores que complican la situación, incluidas las características individuales de las propias estrellas, hacen que la extrapolación extrasolar del concepto de HZ sea más compleja.
Tipos espectrales y características de los sistemas estelares
Un vídeo que explica la importancia del descubrimiento en 2011 de un planeta en la zona habitable circumbinaria de Kepler-47.
Algunos científicos sostienen que el concepto de zona habitable circunestelar en realidad está limitado a estrellas en ciertos tipos de sistemas o de ciertos tipos espectrales . Los sistemas binarios, por ejemplo, tienen zonas habitables circunestelares que difieren de las de los sistemas planetarios de una sola estrella, además de las preocupaciones de estabilidad orbital inherentes a una configuración de tres cuerpos. [78] Si el Sistema Solar fuera un sistema binario de este tipo, los límites exteriores de la zona habitable circunestelar resultante podrían extenderse hasta 2,4 UA. [79] [80]
En cuanto a los tipos espectrales, Zoltán Balog propone que las estrellas de tipo O no pueden formar planetas debido a la fotoevaporación causada por sus fuertes emisiones ultravioletas . [81] Al estudiar las emisiones ultravioleta, Andrea Buccino descubrió que solo el 40% de las estrellas estudiadas (incluido el Sol) tenían zonas habitables de agua líquida y ultravioleta superpuestas. [82] Las estrellas más pequeñas que el Sol, por otro lado, tienen impedimentos distintos para la habitabilidad. Por ejemplo, Michael Hart propuso que solo las estrellas de la secuencia principal de clase espectral K0 o más brillantes podrían ofrecer zonas habitables, una idea que ha evolucionado en los tiempos modernos hasta convertirse en el concepto de un radio de bloqueo de marea para las enanas rojas . Dentro de este radio, que coincide con la zona habitable de las enanas rojas, se ha sugerido que el vulcanismo causado por el calentamiento de marea podría causar un planeta "Venus de marea" con altas temperaturas y sin un entorno hospitalario para la vida. [83]
Otros sostienen que las zonas habitables circunestelares son más comunes y que, de hecho, es posible que exista agua en planetas que orbitan estrellas más frías. Los modelos climáticos de 2013 respaldan la idea de que las estrellas enanas rojas pueden albergar planetas con temperaturas relativamente constantes sobre sus superficies a pesar del bloqueo de marea. [84] El profesor de astronomía Eric Agol sostiene que incluso las enanas blancas pueden albergar una zona habitable relativamente breve a través de la migración planetaria. [85] Al mismo tiempo, otros han escrito en apoyo similar de zonas habitables temporales semiestables alrededor de las enanas marrones . [83] Además, puede existir una zona habitable en las partes externas de los sistemas estelares durante la fase de presecuencia principal de la evolución estelar, especialmente alrededor de las enanas M, que potencialmente durará escalas de tiempo de mil millones de años. [86]
Evolución estelar
Es posible que los planetas necesiten una protección natural contra el clima espacial , como la magnetosfera representada en esta representación artística, para mantener agua en su superficie durante períodos prolongados.
Las zonas habitables circunestelares cambian con el tiempo a medida que evolucionan las estrellas. Por ejemplo, las estrellas calientes de tipo O, que pueden permanecer en la secuencia principal durante menos de 10 millones de años, [87] tendrían zonas habitables que cambian rápidamente y que no son propicias para el desarrollo de la vida. Las estrellas enanas rojas, por otro lado, que pueden vivir durante cientos de miles de millones de años en la secuencia principal, tendrían planetas con tiempo suficiente para que la vida se desarrolle y evolucione. [88] [89] Sin embargo, incluso cuando las estrellas están en la secuencia principal, su producción de energía aumenta constantemente, lo que empuja sus zonas habitables más lejos; nuestro Sol, por ejemplo, era un 75% tan brillante en el Arcaico como lo es ahora, [90] y en el futuro, los aumentos continuos en la producción de energía dejarán a la Tierra fuera de la zona habitable del Sol, incluso antes de que alcance la fase de gigante roja . [91] Para lidiar con este aumento de la luminosidad, se ha introducido el concepto de una zona continuamente habitable . Como sugiere el nombre, la zona de habitabilidad continua es una región alrededor de una estrella en la que cuerpos con masa planetaria pueden albergar agua líquida durante un período determinado. Al igual que la zona de habitabilidad circunestelar general, la zona de habitabilidad continua de una estrella se divide en una región conservativa y una región extendida. [91]
En los sistemas de enanas rojas, las llamaradas estelares gigantescas que podrían duplicar el brillo de una estrella en minutos [92] y las enormes manchas estelares que pueden cubrir el 20% de la superficie de la estrella, [93] tienen el potencial de despojar a un planeta habitable de su atmósfera y agua. [94] Sin embargo, como ocurre con las estrellas más masivas, la evolución estelar cambia su naturaleza y flujo de energía, [95] por lo que, alrededor de los 1.200 millones de años de edad, las enanas rojas generalmente se vuelven lo suficientemente constantes como para permitir el desarrollo de la vida. [94] [96]
Una vez que una estrella ha evolucionado lo suficiente para convertirse en una gigante roja, su zona habitable circunestelar cambiará drásticamente con respecto a su tamaño de secuencia principal. [97] Por ejemplo, se espera que el Sol envuelva a la previamente habitable Tierra como una gigante roja. [98] [99] Sin embargo, una vez que una estrella gigante roja alcanza la rama horizontal , logra un nuevo equilibrio y puede sostener una nueva zona habitable circunestelar, que en el caso del Sol oscilaría entre 7 y 22 UA. [100] En esa etapa, la luna Titán de Saturno probablemente sería habitable en el sentido de la temperatura de la Tierra. [101] Dado que este nuevo equilibrio dura aproximadamente 1 mil millones de años , y debido a que la vida en la Tierra surgió a más tardar 0,7 mil millones de años después de la formación del Sistema Solar, es concebible que la vida se desarrolle en objetos de masa planetaria en la zona habitable de las gigantes rojas. [100] Sin embargo, alrededor de una estrella que quema helio, los procesos vitales importantes como la fotosíntesis solo podrían ocurrir alrededor de planetas donde la atmósfera tiene dióxido de carbono, ya que para cuando una estrella de masa solar se convierte en una gigante roja, los cuerpos de masa planetaria ya habrían absorbido gran parte de su dióxido de carbono libre. [102] Además, como mostraron Ramírez y Kaltenegger (2016) [99] , los vientos estelares intensos eliminarían por completo las atmósferas de esos cuerpos planetarios más pequeños, volviéndolos inhabitables de todos modos. Por lo tanto, Titán no sería habitable incluso después de que el Sol se convierta en una gigante roja. [99] Sin embargo, la vida no necesita originarse durante esta etapa de evolución estelar para que sea detectada. Una vez que la estrella se convierte en una gigante roja y la zona habitable se extiende hacia afuera, la superficie helada se derretiría, formando una atmósfera temporal en la que se pueden buscar signos de vida que pueden haber estado prosperando antes del comienzo de la etapa de gigante roja. [99]
Planetas desérticos
Las condiciones atmosféricas de un planeta influyen en su capacidad para retener el calor, de modo que la ubicación de la zona habitable también es específica de cada tipo de planeta: los planetas desérticos (también conocidos como planetas secos), con muy poca agua, tendrán menos vapor de agua en la atmósfera que la Tierra y por lo tanto tendrán un efecto invernadero reducido , lo que significa que un planeta desértico podría mantener oasis de agua más cerca de su estrella que la Tierra del Sol. La falta de agua también significa que hay menos hielo para reflejar el calor al espacio, por lo que el borde exterior de las zonas habitables de los planetas desérticos está más alejado. [103] [104]
Un planeta no puede tener hidrosfera —un ingrediente clave para la formación de vida basada en carbono— a menos que exista una fuente de agua dentro de su sistema estelar. El origen del agua en la Tierra aún no se entiende completamente; las posibles fuentes incluyen el resultado de impactos con cuerpos helados, desgasificación , mineralización , fugas de minerales hidratados de la litosfera y fotólisis . [105] [106] Para un sistema extrasolar, un cuerpo helado de más allá de la línea de congelación podría migrar a la zona habitable de su estrella, creando un planeta oceánico con mares de cientos de kilómetros de profundidad [107] como GJ 1214 b [108] [109] o Kepler-22b . [110]
El mantenimiento del agua líquida en la superficie también requiere una atmósfera lo suficientemente espesa. Actualmente se teoriza que los posibles orígenes de las atmósferas terrestres son la desgasificación, la desgasificación por impacto y la ingasificación. [111] Se cree que las atmósferas se mantienen a través de procesos similares junto con los ciclos biogeoquímicos y la mitigación del escape atmosférico . [112] En un estudio de 2013 dirigido por el astrónomo italiano Giovanni Vladilo, se demostró que el tamaño de la zona habitable circunestelar aumentaba con una mayor presión atmosférica. [74] Por debajo de una presión atmosférica de aproximadamente 15 milibares, se descubrió que la habitabilidad no se podía mantener [74] porque incluso un pequeño cambio en la presión o la temperatura podría hacer que el agua no pudiera formarse como líquido. [113]
Aunque las definiciones tradicionales de la zona habitable suponen que el dióxido de carbono y el vapor de agua son los gases de efecto invernadero más importantes (como lo son en la Tierra), [29] un estudio [49] dirigido por Ramsés Ramírez y la coautora Lisa Kaltenegger ha demostrado que el tamaño de la zona habitable aumenta considerablemente si se incluye también la prodigiosa desgasificación volcánica de hidrógeno junto con el dióxido de carbono y el vapor de agua. El borde exterior del Sistema Solar se extendería hasta 2,4 UA en ese caso. Se calcularon aumentos similares en el tamaño de la zona habitable para otros sistemas estelares. Un estudio anterior de Ray Pierrehumbert y Eric Gaidos [48] había eliminado por completo el concepto de CO 2 -H 2 O, argumentando que los planetas jóvenes podrían acumular muchas decenas a cientos de barras de hidrógeno del disco protoplanetario, lo que proporcionaría un efecto invernadero suficiente para extender el borde exterior del sistema solar a 10 UA. En este caso, sin embargo, el hidrógeno no se repone continuamente mediante el vulcanismo y se pierde en un plazo de millones a decenas de millones de años.
En el caso de los planetas que orbitan en las HZ de las estrellas enanas rojas, las distancias extremadamente cercanas a las estrellas causan un bloqueo de marea , un factor importante en la habitabilidad. Para un planeta bloqueado por marea, el día sideral es tan largo como el período orbital , lo que hace que un lado esté permanentemente de cara a la estrella anfitriona y el otro lado esté de cara al otro lado. En el pasado, se pensaba que este bloqueo de marea causaba calor extremo en el lado que miraba a la estrella y frío intenso en el lado opuesto, lo que hacía que muchos planetas enanos rojos fueran inhabitables; sin embargo, los modelos climáticos tridimensionales en 2013 mostraron que el lado de un planeta enano rojo que mira a la estrella anfitriona podría tener una extensa cobertura de nubes, lo que aumenta su albedo de enlace y reduce significativamente las diferencias de temperatura entre los dos lados. [84]
Los satélites naturales de masa planetaria también tienen el potencial de ser habitables. Sin embargo, estos cuerpos necesitan cumplir parámetros adicionales, en particular estar ubicados dentro de las zonas habitables circumplanetarias de sus planetas anfitriones. [37] Más específicamente, las lunas deben estar lo suficientemente lejos de sus planetas gigantes anfitriones para que no se transformen por el calentamiento de las mareas en mundos volcánicos como Ío , [37] pero deben permanecer dentro del radio de Hill del planeta para que no sean sacadas de la órbita de su planeta anfitrión. [114] Las enanas rojas que tienen masas inferiores al 20% de la del Sol no pueden tener lunas habitables alrededor de planetas gigantes, ya que el pequeño tamaño de la zona habitable circunestelar colocaría a una luna habitable tan cerca de la estrella que sería despojada de su planeta anfitrión. En un sistema así, una luna lo suficientemente cerca de su planeta anfitrión para mantener su órbita tendría un calentamiento de marea tan intenso que eliminaría cualquier perspectiva de habitabilidad. [37]
Concepto artístico de un planeta en una órbita excéntrica que pasa por la HZ solo durante una parte de su órbita.
Un objeto planetario que orbita una estrella con alta excentricidad orbital puede pasar solo una parte de su año en la HZ y experimentar una gran variación en la temperatura y la presión atmosférica. Esto daría lugar a dramáticos cambios de fase estacionales donde el agua líquida puede existir solo de forma intermitente. Es posible que los hábitats del subsuelo puedan estar aislados de tales cambios y que los extremófilos en o cerca de la superficie puedan sobrevivir a través de adaptaciones como la hibernación ( criptobiosis ) y/o hipertermoestabilidad . Los tardígrados , por ejemplo, pueden sobrevivir en un estado deshidratado a una temperatura de entre 0,150 K (−273 °C) [115] y 424 K (151 °C). [116] La vida en un objeto planetario que orbita fuera de la HZ podría hibernar en el lado frío a medida que el planeta se acerca al apastrón donde el planeta es más frío y volverse activo al acercarse al periastrón cuando el planeta está suficientemente cálido. [117]
Descubrimientos extrasolares
Una revisión de 2015 concluyó que los exoplanetas Kepler-62f , Kepler-186f y Kepler-442b eran probablemente los mejores candidatos para ser potencialmente habitables. [118] Estos se encuentran a una distancia de 990, 490 y 1120 años luz de distancia, respectivamente. De estos, Kepler-186f es el más cercano en tamaño a la Tierra con 1,2 veces el radio de la Tierra, y está ubicado hacia el borde exterior de la zona habitable alrededor de su estrella enana roja . Entre los candidatos a exoplanetas terrestres más cercanos , Tau Ceti e está a 11,9 años luz de distancia. Está en el borde interior de la zona habitable de su sistema planetario, lo que le da una temperatura superficial promedio estimada de 68 °C (154 °F). [119]
Los estudios que han intentado estimar el número de planetas terrestres dentro de la zona habitable circunestelar tienden a reflejar la disponibilidad de datos científicos. Un estudio de 2013 realizado por Ravi Kumar Kopparapu estimó η e , la fracción de estrellas con planetas en la HZ, en 0,48, [4] lo que significa que puede haber aproximadamente entre 95 y 180 mil millones de planetas habitables en la Vía Láctea. [120] Sin embargo, esto es meramente una predicción estadística; solo una pequeña fracción de estos posibles planetas ha sido descubierta hasta ahora. [121]
Estudios anteriores han sido más conservadores. En 2011, Seth Borenstein concluyó que hay aproximadamente 500 millones de planetas habitables en la Vía Láctea. [122] El estudio de 2011 del Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA , basado en observaciones de la misión Kepler , aumentó un poco la cifra, estimando que se espera que entre el "1,4 y el 2,7 por ciento" de todas las estrellas de clase espectral F , G y K tengan planetas en sus HZ. [123] [124]
Hallazgos tempranos
Los primeros descubrimientos de planetas extrasolares en la HZ se produjeron tan solo unos años después de que se descubrieran los primeros planetas extrasolares. Sin embargo, estas primeras detecciones eran todas del tamaño de gigantes gaseosos y muchas estaban en órbitas excéntricas. A pesar de esto, los estudios indican la posibilidad de que alrededor de estos planetas haya lunas grandes, similares a la Tierra, que sustenten agua líquida. [125]
Uno de los primeros descubrimientos fue 70 Virginis b , un gigante gaseoso apodado inicialmente "Ricitos de Oro" debido a que no era ni "demasiado caliente" ni "demasiado frío". Un estudio posterior reveló temperaturas análogas a Venus, descartando cualquier posibilidad de agua líquida. [126] 16 Cygni Bb , también descubierto en 1996, tiene una órbita extremadamente excéntrica que pasa solo parte de su tiempo en la HZ, una órbita de este tipo causaría efectos estacionales extremos . A pesar de esto, las simulaciones han sugerido que un compañero lo suficientemente grande podría soportar agua superficial durante todo el año. [127]
Gliese 876 b , descubierto en 1998, y Gliese 876 c , descubierto en 2001, son ambos gigantes gaseosos descubiertos en la zona habitable alrededor de Gliese 876 que también pueden tener lunas grandes. [128] Otro gigante gaseoso, Upsilon Andromedae d, fue descubierto en 1999 orbitando la zona habitable de Upsilon Andromidae.
Anunciado el 4 de abril de 2001, HD 28185 b es un gigante gaseoso que orbita completamente dentro de la zona habitable circunestelar de su estrella [129] y tiene una excentricidad orbital baja, comparable a la de Marte en el Sistema Solar. [130] Las interacciones de marea sugieren que podría albergar satélites habitables con una masa similar a la de la Tierra en órbita a su alrededor durante muchos miles de millones de años, [131] aunque no está claro si dichos satélites pudieron formarse en primer lugar. [132]
HD 69830 d , un gigante gaseoso con 17 veces la masa de la Tierra, fue descubierto en 2006 orbitando dentro de la zona habitable circunestelar de HD 69830 , a 41 años luz de la Tierra. [133] Al año siguiente, 55 Cancri f fue descubierto dentro de la zona habitable de su estrella anfitriona 55 Cancri A. [ 134] [135] Se cree que los satélites hipotéticos con suficiente masa y composición pueden soportar agua líquida en sus superficies. [136]
Aunque, en teoría, estos planetas gigantes podrían tener lunas, no existía la tecnología para detectar lunas a su alrededor y no se había descubierto ninguna luna extrasolar. Por lo tanto, los planetas dentro de la zona con potencial para superficies sólidas eran de mucho mayor interés.
Supertierras habitables
La zona habitable de Gliese 581 comparada con la zona habitable del Sistema Solar.
El descubrimiento en 2007 de Gliese 581c , la primera supertierra en la zona habitable circunestelar, generó un interés significativo en el sistema por parte de la comunidad científica, aunque más tarde se descubrió que el planeta tenía condiciones superficiales extremas que pueden parecerse a Venus. [137] Gliese 581 d, otro planeta en el mismo sistema y que se cree que es un mejor candidato para la habitabilidad, también se anunció en 2007. Su existencia fue desconfirmada más tarde en 2014, pero solo por un corto tiempo. A partir de 2015, el planeta no tiene desconfirmaciones más recientes. Gliese 581 g , otro planeta que se cree que fue descubierto en la zona habitable circunestelar del sistema, se consideró más habitable que Gliese 581 c y d. Sin embargo, su existencia también fue desconfirmada en 2014, [138] y los astrónomos están divididos sobre su existencia.
Diagrama que compara el tamaño (impresión del artista) y la posición orbital del planeta Kepler-22b dentro de la zona habitable de la estrella similar al Sol Kepler 22 y la de la Tierra en el Sistema Solar.
Descubierto en agosto de 2011, inicialmente se especuló que HD 85512 b era habitable, [139] pero los nuevos criterios de zona habitable circunestelar ideados por Kopparapu et al. en 2013 colocan al planeta fuera de la zona habitable circunestelar. [121]
Kepler-22 b , descubierto en diciembre de 2011 por la sonda espacial Kepler, [140] es el primer exoplaneta en tránsito descubierto alrededor de una estrella similar al Sol . Con un radio 2,4 veces el de la Tierra, algunos han predicho que Kepler-22b es un planeta oceánico. [141] Gliese 667 Cc , descubierto en 2011 pero anunciado en 2012, [142] es una supertierra que orbita en la zona habitable circunestelar de Gliese 667 C. Es uno de los planetas más parecidos a la Tierra conocidos.
Gliese 163 c , descubierto en septiembre de 2012 en órbita alrededor de la enana roja Gliese 163 [143] se encuentra a 49 años luz de la Tierra. El planeta tiene 6,9 masas terrestres y 1,8-2,4 radios terrestres, y con su órbita cercana recibe un 40 por ciento más de radiación estelar que la Tierra, lo que lleva a temperaturas superficiales de aproximadamente 60 ° C . [144] [145] [146] HD 40307 g , un planeta candidato descubierto tentativamente en noviembre de 2012, se encuentra en la zona habitable circunestelar de HD 40307 . [147] En diciembre de 2012, Tau Ceti e y Tau Ceti f se encontraron en la zona habitable circunestelar de Tau Ceti , una estrella similar al Sol a 12 años luz de distancia. [148] Aunque más masivos que la Tierra, se encuentran entre los planetas menos masivos encontrados hasta la fecha orbitando en la zona habitable; [149] Sin embargo, Tau Ceti f, al igual que HD 85512 b, no se ajusta a los nuevos criterios de zona habitable circunestelar establecidos por el estudio Kopparapu de 2013. [150] Ahora se considera inhabitable.
Planetas de tamaño cercano al de la Tierra y análogos solares
Comparación de la posición HZ del planeta Kepler-186f con radio terrestre y el Sistema Solar (17 de abril de 2014)Aunque es más grande que Kepler 186f, la órbita y la estrella de Kepler-452b son más similares a las de la Tierra.
Recientes descubrimientos han descubierto planetas que se cree que son similares en tamaño o masa a la Tierra. Los rangos de "tamaño de la Tierra" generalmente se definen por la masa. El rango inferior utilizado en muchas definiciones de la clase de súper-Tierras es 1,9 masas terrestres; de la misma manera, las sub-Tierras varían hasta el tamaño de Venus (~0,815 masas terrestres). También se considera un límite superior de 1,5 radios terrestres, dado que por encima de 1,5 R 🜨 la densidad media de planetas disminuye rápidamente con el aumento del radio, lo que indica que estos planetas tienen una fracción significativa de volátiles por volumen sobre un núcleo rocoso. [151] Un planeta genuinamente similar a la Tierra -un análogo de la Tierra o "gemelo de la Tierra"- necesitaría cumplir muchas condiciones más allá del tamaño y la masa; tales propiedades no son observables utilizando la tecnología actual.
Un análogo solar (o "gemelo solar") es una estrella que se parece al Sol. No se ha encontrado ningún gemelo solar con una coincidencia exacta con el Sol. Sin embargo, algunas estrellas son casi idénticas al Sol y se consideran gemelas solares. Un gemelo solar exacto sería una estrella G2V con una temperatura de 5.778 K, 4.600 millones de años de edad, con la metalicidad correcta y una variación de luminosidad solar del 0,1% . [152] Las estrellas con una edad de 4.600 millones de años se encuentran en el estado más estable. La metalicidad y el tamaño adecuados también son fundamentales para una baja variación de luminosidad. [153] [154] [155]
Utilizando datos recopilados por el telescopio espacial Kepler de la NASA y el Observatorio WM Keck , los científicos han estimado que el 22% de las estrellas de tipo solar en la Vía Láctea tienen planetas del tamaño de la Tierra en su zona habitable. [156]
El 7 de enero de 2013, los astrónomos del equipo Kepler anunciaron el descubrimiento de Kepler-69c (anteriormente KOI-172.02 ), un candidato a exoplaneta del tamaño de la Tierra (1,7 veces el radio de la Tierra) que orbita Kepler-69 , una estrella similar al Sol, en la HZ y que se espera que ofrezca condiciones habitables. [157] [158] [159] [160] El descubrimiento de dos planetas orbitando en la zona habitable de Kepler-62 , por parte del equipo Kepler, se anunció el 19 de abril de 2013. Los planetas, llamados Kepler-62e y Kepler-62f , son probablemente planetas sólidos con tamaños de 1,6 y 1,4 veces el radio de la Tierra, respectivamente. [159] [160] [161]
Con un radio estimado en 1,1 el de la Tierra, Kepler-186f , descubrimiento anunciado en abril de 2014, es el exoplaneta más cercano en tamaño a la Tierra confirmado hasta ahora por el método de tránsito [162] [163] [164] aunque su masa sigue siendo desconocida y su estrella madre no es un análogo solar.
Kapteyn b , descubierto en junio de 2014, es un posible mundo rocoso de aproximadamente 4,8 masas terrestres y aproximadamente 1,5 radios terrestres que se encontró orbitando la zona habitable de la subenana roja estrella de Kapteyn , a 12,8 años luz de distancia. [165]
El 6 de enero de 2015, la NASA anunció el exoplaneta número 1000 descubierto por el telescopio espacial Kepler. Tres de los exoplanetas recientemente confirmados orbitaban dentro de zonas habitables de sus estrellas relacionadas : dos de los tres, Kepler-438b y Kepler-442b , son de tamaño cercano a la Tierra y probablemente rocosos ; el tercero, Kepler-440b , es una supertierra . [166] Sin embargo, se descubrió que Kepler-438b es objeto de potentes llamaradas, por lo que ahora se considera inhabitable. El 16 de enero, se encontró a K2-3d, un planeta de 1,5 radios terrestres, orbitando dentro de la zona habitable de K2-3 , recibiendo 1,4 veces la intensidad de luz visible que la Tierra. [167]
Kepler-452b , anunciado el 23 de julio de 2015, es un 50% más grande que la Tierra, probablemente rocoso y tarda aproximadamente 385 días terrestres en orbitar la zona habitable de su estrella de clase G (análoga solar) Kepler-452 . [168] [169]
En mayo de 2016 se anunció el descubrimiento de un sistema de tres planetas bloqueados por mareas que orbitan la zona habitable de una estrella enana ultrafría, TRAPPIST-1 . [170] El descubrimiento se considera significativo porque aumenta drásticamente la posibilidad de que estrellas más pequeñas, más frías, más numerosas y más cercanas posean planetas habitables.
Dos planetas potencialmente habitables, descubiertos por la misión K2 en julio de 2016, que orbitan alrededor de la estrella enana M K2-72 a unos 227 años luz del Sol: K2-72c y K2-72e, ambos de tamaño similar a la Tierra y reciben cantidades similares de radiación estelar. [171]
Anunciado el 20 de abril de 2017, LHS 1140b es una supertierra superdensa a 39 años luz de distancia, 6,6 veces la masa de la Tierra y 1,4 veces su radio; su estrella tiene un 15 % de la masa del Sol pero con mucha menos actividad de llamaradas estelares observables que la mayoría de las enanas M. [172] El planeta es uno de los pocos observables tanto por velocidad de tránsito como radial cuya masa está confirmada con una atmósfera que puede estudiarse.
Descubierto por velocidad radial en junio de 2017, con aproximadamente tres veces la masa de la Tierra, Luyten b orbita dentro de la zona habitable de la estrella de Luyten, a solo 12,2 años luz de distancia. [173]
A 11 años luz de distancia, el segundo planeta más cercano, Ross 128 b , fue anunciado en noviembre de 2017 después de un estudio de velocidad radial de una década de la relativamente "tranquila" estrella enana roja Ross 128. Con 1,35 veces la masa de la Tierra, tiene aproximadamente el tamaño de la Tierra y es probable que su composición sea rocosa. [174]
Descubierto en marzo de 2018, K2-155d tiene aproximadamente 1,64 veces el radio de la Tierra, es probablemente rocoso y orbita en la zona habitable de su estrella enana roja a 203 años luz de distancia. [175] [176] [177]
Uno de los primeros descubrimientos del Satélite de Sondeo de Exoplanetas en Tránsito (TESS), anunciado el 31 de julio de 2019, es un planeta súper-Tierra GJ 357 d que orbita el borde exterior de una enana roja a 31 años luz de distancia. [178]
K2-18b es un exoplaneta que se encuentra a 124 años luz de distancia y que orbita en la zona habitable de K2-18 , una enana roja. Este planeta es importante por el vapor de agua que se encuentra en su atmósfera; así lo anunció el 17 de septiembre de 2019.
El descubrimiento de lagos de hidrocarburos en la luna Titán de Saturno ha comenzado a poner en tela de juicio el chovinismo sobre el carbono que sustenta el concepto HZ.
Se ha descubierto que los ambientes de agua líquida existen en ausencia de presión atmosférica y a temperaturas fuera del rango de temperatura de la zona habitable. Por ejemplo, las lunas de Saturno , Titán y Encélado , y las lunas de Júpiter , Europa y Ganímedes , todas ellas fuera de la zona habitable, pueden contener grandes volúmenes de agua líquida en océanos subterráneos . [180]
Fuera del HZ, el calentamiento por mareas y la desintegración radiactiva son dos posibles fuentes de calor que podrían contribuir a la existencia de agua líquida. [16] [17] Abbot y Switzer (2011) plantearon la posibilidad de que pudiera existir agua subterránea en planetas rebeldes como resultado del calentamiento basado en la desintegración radiactiva y el aislamiento por una gruesa capa superficial de hielo. [19]
Aunque algunos sostienen que la vida en la Tierra puede haberse originado en hábitats subterráneos estables, [181] [182] se ha sugerido que puede ser común que hábitats subterráneos húmedos como estos estén "repletos de vida". [183] En la Tierra misma, se pueden encontrar organismos vivos a más de 6 km (3,7 mi) debajo de la superficie. [184]
Otra posibilidad es que fuera del HZ los organismos puedan utilizar bioquímicas alternativas que no requieran agua en absoluto. El astrobiólogo Christopher McKay ha sugerido que el metano ( CH 4) puede ser un disolvente propicio para el desarrollo de la "criovida", con la "zona habitable de metano" del Sol centrada a 1.610.000.000 km (1,0 × 10 9 mi; 11 UA) de la estrella. [22] Esta distancia coincide con la ubicación de Titán, cuyos lagos y lluvia de metano lo convierten en un lugar ideal para encontrar la criovida propuesta por McKay. [22] Además, las pruebas de varios organismos han descubierto que algunos son capaces de sobrevivir en condiciones extra-HZ. [185]
Importancia para la vida compleja e inteligente
La hipótesis de las tierras raras sostiene que la vida inteligente y compleja es poco común y que la HZ es uno de los muchos factores críticos. Según Ward y Brownlee (2004) y otros, no sólo una órbita de la HZ y el agua superficial son un requisito primario para sostener la vida, sino un requisito para apoyar las condiciones secundarias requeridas para que la vida multicelular surja y evolucione. Los factores de habitabilidad secundarios son tanto geológicos (el papel del agua superficial en el mantenimiento de la tectónica de placas necesaria) [35] como bioquímicos (el papel de la energía radiante en el apoyo a la fotosíntesis para la oxigenación atmosférica necesaria). [186] Pero otros, como Ian Stewart y Jack Cohen en su libro de 2002 Evolving the Alien sostienen que la vida inteligente y compleja puede surgir fuera de la HZ. [187] La vida inteligente fuera de la HZ puede haber evolucionado en entornos subterráneos, a partir de bioquímicas alternativas [187] o incluso a partir de reacciones nucleares. [188]
Las especies, incluidos los humanos , que se sabe que poseen cognición animal requieren grandes cantidades de energía [195] y se han adaptado a condiciones específicas, que incluyen una abundancia de oxígeno atmosférico y la disponibilidad de grandes cantidades de energía química sintetizada a partir de energía radiante. Si los humanos van a colonizar otros planetas, es muy probable que los análogos de la Tierra en la HZ proporcionen el hábitat natural más cercano; este concepto fue la base del estudio de Stephen H. Dole de 1964. Con una temperatura, gravedad y presión atmosférica adecuadas y la presencia de agua, se puede eliminar la necesidad de trajes espaciales o análogos de hábitats espaciales en la superficie, y la vida compleja en la Tierra puede prosperar [2] .
Los planetas en la HZ siguen siendo de sumo interés para los investigadores que buscan vida inteligente en otras partes del universo. [196] La ecuación de Drake , a veces utilizada para estimar el número de civilizaciones inteligentes en nuestra galaxia, contiene el factor o parámetro n e , que es el número promedio de objetos de masa planetaria que orbitan dentro de la HZ de cada estrella. Un valor bajo respalda la hipótesis de las Tierras Raras, que postula que la vida inteligente es una rareza en el Universo, mientras que un valor alto proporciona evidencia del principio de mediocridad copernicano , la visión de que la habitabilidad (y, por lo tanto, la vida) es común en todo el Universo. [35] Un informe de la NASA de 1971 de Drake y Bernard Oliver propuso el " agujero de agua ", basado en las líneas de absorción espectral de los componentes de hidrógeno e hidroxilo del agua, como una banda buena y obvia para la comunicación con inteligencia extraterrestre [197] [198] que desde entonces ha sido ampliamente adoptada por los astrónomos involucrados en la búsqueda de inteligencia extraterrestre. Según Jill Tarter , Margaret Turnbull y muchos otros, los candidatos a HZ son los objetivos prioritarios para limitar las búsquedas de pozos de agua [199] [200] y el Allen Telescope Array ahora extiende el Proyecto Phoenix a dichos candidatos. [201]
Debido a que se considera que la HZ es el hábitat más probable para la vida inteligente, los esfuerzos de METI también se han centrado en sistemas que probablemente tengan planetas allí. El Mensaje de la Edad Adolescente de 2001 y el Llamado Cósmico 2 de 2003 , por ejemplo, se enviaron al sistema 47 Ursae Majoris , conocido por contener tres planetas con la masa de Júpiter y posiblemente con un planeta terrestre en la HZ. [202] [203] [204] [205] El Mensaje de la Edad Adolescente también se dirigió al sistema 55 Cancri, que tiene un gigante gaseoso en su HZ. [134] Un Mensaje desde la Tierra en 2008, [206] y Hola desde la Tierra en 2009, se dirigieron al sistema Gliese 581, que contiene tres planetas en la HZ: Gliese 581 c, d y el no confirmado g.
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Enlaces externos
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