La habitabilidad teorizada de los sistemas enanas rojas está determinada por una gran cantidad de factores. La evidencia moderna indica que es poco probable que los planetas en sistemas de enanas rojas sean habitables , debido a su bajo flujo estelar , alta probabilidad de bloqueo de mareas y, por lo tanto, probable falta de magnetosferas y atmósferas , pequeñas zonas circunestelares habitables y la alta variación estelar experimentada por los planetas de enanas rojas. estrellas enanas . Sin embargo, el gran número y la longevidad de las enanas rojas podrían brindar una amplia oportunidad para hacer realidad cualquier pequeña posibilidad de habitabilidad.
Un impedimento importante para el desarrollo de la vida en estos sistemas es el intenso calentamiento de las mareas causado por la corta distancia de los planetas a sus enanas rojas anfitrionas. [1] [2] Otros efectos de las mareas reducen la probabilidad de vida alrededor de las enanas rojas, como las diferencias extremas de temperatura creadas por un lado de los planetas de la zona habitable que mira permanentemente a la estrella y el otro está perpetuamente alejado; y la falta de inclinaciones axiales planetarias. Aún así, una atmósfera planetaria puede redistribuir el calor, haciendo que las temperaturas sean más uniformes. [3] [2] Los factores no mareales reducen aún más las perspectivas de vida en los sistemas enanos rojos, como la variación estelar extrema, las distribuciones de energía espectral desplazadas hacia el infrarrojo en relación con el Sol (aunque un campo magnético planetario podría proteger de estas llamaradas ) y pequeñas zonas habitables circunestelares debido a la baja emisión de luz. [2]
Sin embargo, existen algunos factores que podrían aumentar la probabilidad de vida en los planetas enanas rojas. La intensa formación de nubes en el lado que mira a las estrellas de un planeta bloqueado por mareas puede reducir el flujo térmico general y reducir drásticamente las diferencias de temperatura de equilibrio entre los dos lados del planeta. [4] Además, el gran número de enanas rojas aumenta estadísticamente la probabilidad de que existan planetas habitables orbitando algunas de ellas. Las enanas rojas representan aproximadamente el 85% de las estrellas de la Vía Láctea [5] [6] y la gran mayoría de las estrellas de las galaxias espirales y elípticas. Se espera que haya decenas de miles de millones de súper planetas Tierra en las zonas habitables de las estrellas enanas rojas de la Vía Láctea. [7]
Las estrellas de tipo M también se consideran posibles huéspedes de exoplanetas habitables, incluso aquellos con llamaradas como Proxima b . Determinar la habitabilidad de las estrellas enanas rojas podría ayudar a determinar qué tan común podría ser la vida en el universo, ya que las enanas rojas representan entre el 70% y el 90% de todas las estrellas de la galaxia. Sin embargo, es importante tener en cuenta que las estrellas en erupción podrían reducir en gran medida la habitabilidad de los exoplanetas al erosionar su atmósfera. [8]
Las enanas rojas [9] son el tipo de estrella más pequeña, más fría y más común. Las estimaciones de su abundancia varían desde el 70% de las estrellas en galaxias espirales hasta más del 90% de todas las estrellas en galaxias elípticas , [10] [11] una cifra mediana citada con frecuencia es del 72 al 76% de las estrellas en la Vía Láctea (conocida Desde la década de 1990, la observación radiotelescópica se ha convertido en una espiral barrada ). [12] Las enanas rojas generalmente se definen como de tipo espectral M, aunque algunas definiciones son más amplias (incluidas también algunas o todas las estrellas de tipo K). Dada su baja producción de energía, las enanas rojas casi nunca son visibles a simple vista desde la Tierra: la enana roja más cercana al Sol, Próxima Centauri , no tiene ni de lejos una magnitud visual. La enana roja más brillante del cielo nocturno de la Tierra, Lacaille 8760 (+6,7), es visible a simple vista sólo en condiciones de visualización ideales.
Sin embargo, el tamaño no es el único factor que hace que las enanas rojas sean potencialmente inadecuadas para la vida. En un planeta enana roja, la fotosíntesis en el lado nocturno sería imposible, ya que nunca vería el sol. En el lado diurno, debido a que el sol no sale ni se pone, las áreas a la sombra de las montañas permanecerían así para siempre. La fotosíntesis tal como la entendemos sería complicada por el hecho de que una enana roja produce la mayor parte de su radiación en el infrarrojo , y en la Tierra el proceso depende de la luz visible. Este escenario tiene posibles aspectos positivos. Numerosos ecosistemas terrestres dependen de la quimiosíntesis en lugar de la fotosíntesis, por ejemplo, lo que sería posible en un sistema enano rojo. Una posición estática de estrella primaria elimina la necesidad de que las plantas dirijan las hojas hacia el sol, se enfrenten a cambios en los patrones de sombra/sol o cambien de la fotosíntesis a la energía almacenada durante la noche. Debido a la falta de un ciclo día-noche, incluida la débil luz de la mañana y la tarde, habría mucha más energía disponible para un nivel de radiación determinado.
Las enanas rojas tienen una ventaja sobre otras estrellas como moradas de vida: una longevidad mucho mayor. Fueron necesarios 4.500 millones de años antes de que la humanidad apareciera en la Tierra, y la vida tal como la conocemos tendrá condiciones adecuadas durante 1 [13] a 2.3 [14] mil millones de años más. Las enanas rojas, por el contrario, podrían vivir billones de años porque sus reacciones nucleares son mucho más lentas que las de las estrellas más grandes, [a] lo que significa que la vida tendría más tiempo para evolucionar y sobrevivir.
Si bien la probabilidad de encontrar un planeta en la zona habitable alrededor de cualquier enana roja específica es pequeña, la cantidad total de zona habitable alrededor de todas las enanas rojas combinadas es igual a la cantidad total alrededor de estrellas similares al Sol dada su ubicuidad. [15] Además, esta cantidad total de zona habitable durará más, porque las estrellas enanas rojas viven durante cientos de miles de millones de años o incluso más en la secuencia principal. [16] Sin embargo, combinado con las desventajas anteriores, es más probable que las estrellas enanas rojas permanezcan habitables por más tiempo para los microbios, mientras que las estrellas enanas amarillas de vida más corta, como el Sol, permanezcan habitables por más tiempo para los animales. [ se necesita aclaración ]
Durante años, los astrónomos se han mostrado pesimistas acerca de las enanas rojas como posibles moradas para la vida. Las bajas masas de las enanas rojas (de aproximadamente 0,08 a 0,60 masas solares ( M ☉ )) hacen que sus reacciones de fusión nuclear avancen extremadamente lentamente, dándoles bajas luminosidades que van desde el 10% de la del Sol hasta sólo el 0,0125%. [17] En consecuencia, cualquier planeta que orbite una enana roja necesitaría un semieje mayor bajo para mantener una temperatura superficial similar a la de la Tierra, desde 0,268 unidades astronómicas (AU) para una enana roja relativamente luminosa como Lacaille 8760 a 0,032 AU para una estrella más pequeña como Próxima Centauri . [18] Un mundo así tendría un año que duraría sólo de 3 a 150 días terrestres. [19] [20]
A esas distancias, la gravedad de la estrella provocaría un bloqueo de mareas. Un lado del planeta estaría eternamente de cara a la estrella, mientras que el otro siempre estaría de espaldas a ella. Las únicas formas en que la vida potencial podría evitar un infierno o una congelación profunda serían si el planeta tuviera una atmósfera lo suficientemente espesa como para transferir el calor de la estrella del lado diurno al lado nocturno, o si hubiera un gigante gaseoso en el espacio habitable. zona, con una luna habitable , que estaría fijada al planeta en lugar de a la estrella, permitiendo una distribución más uniforme de la radiación sobre el planeta. [ cita necesaria ] Durante mucho tiempo se asumió que una atmósfera tan espesa evitaría que la luz solar llegara a la superficie en primer lugar, impidiendo la fotosíntesis . [ cita necesaria ]
La fotosíntesis sería más difícil, ya que gran parte de la baja luminosidad cae dentro de la parte roja e infrarroja de menor energía del espectro electromagnético y, por lo tanto, requeriría fotones adicionales para alcanzar potenciales de excitación. [21] Las plantas potenciales probablemente se adaptarían a un espectro mucho más amplio (y, como tal, aparecerían negras en la luz visible). [21]
Además, debido a que el agua absorbe fuertemente la luz roja e infrarroja, habría menos energía disponible para la vida acuática en los planetas enanas rojas. [22] Sin embargo, un efecto similar de absorción preferencial por el hielo de agua aumentaría su temperatura en relación con una cantidad equivalente de radiación de una estrella similar al Sol, extendiendo así la zona habitable de las enanas rojas hacia afuera. [23]
Otro hecho que inhibiría la habitabilidad es la evolución de las estrellas enanas rojas; Como estas estrellas tienen una fase previa a la secuencia principal extendida, sus eventuales zonas habitables serían durante alrededor de mil millones de años una zona donde el agua no estaba líquida sino en estado gaseoso. Así, los planetas terrestres en las actuales zonas habitables, si hubieran tenido abundante agua superficial durante su formación, habrían estado sujetos a un efecto invernadero descontrolado durante varios cientos de millones de años. Durante una fase tan temprana de invernadero desbocado, la fotólisis del vapor de agua permitiría que el hidrógeno escapara al espacio y la pérdida de varios océanos de agua de la Tierra, dejando una espesa atmósfera abiótica de oxígeno. [24]
Este pesimismo ha sido atenuado por la investigación. Estudios realizados por Robert Haberle y Manoj Joshi del Centro de Investigación Ames de la NASA en California han demostrado que la atmósfera de un planeta (suponiendo que incluya los gases de efecto invernadero CO 2 y H 2 O ) sólo necesita ser de 100 milibares (0,10 atm) para que el calor de la estrella se disipe. ser llevado efectivamente al lado nocturno. [25] Esto está dentro de los niveles requeridos para la fotosíntesis, aunque el agua aún permanecería congelada en el lado oscuro en algunos de sus modelos. Martin Heath, del Greenwich Community College , ha demostrado que el agua de mar también podría circular eficazmente sin congelarse si las cuencas oceánicas fueran lo suficientemente profundas como para permitir el libre flujo debajo de la capa de hielo del lado nocturno. Investigaciones adicionales, incluida una consideración de la cantidad de radiación fotosintéticamente activa, sugirieron que los planetas bloqueados por mareas en sistemas enanos rojos podrían al menos ser habitables para plantas superiores. [26]
A las distancias orbitales cercanas, que los planetas alrededor de estrellas enanas rojas tendrían que mantener para que exista agua líquida en sus superficies, es probable que las mareas se bloqueen con la estrella anfitriona. El bloqueo de mareas hace que el planeta gire sobre su eje una vez en cada revolución alrededor de la estrella. Como resultado, un lado del planeta estaría eternamente de cara a la estrella y el otro lado perpetuamente estaría de espaldas, creando grandes temperaturas extremas.
Durante muchos años, se creyó que la vida en tales planetas se limitaría a una región en forma de anillo conocida como terminador , donde la estrella siempre aparecería en el horizonte o cerca de él. También se creía que la transferencia eficiente de calor entre las caras del planeta requiere la circulación atmosférica de una atmósfera tan espesa que no permite la fotosíntesis. Se argumentaba que debido al calentamiento diferencial, un planeta bloqueado por las mareas experimentaría vientos feroces con lluvias torrenciales permanentes en el punto que se enfrenta directamente a la estrella local, [27] el punto subsolar . En opinión de un autor, esto hace que la vida compleja sea improbable. [28] La vida vegetal tendría que adaptarse al vendaval constante, por ejemplo, anclándose de forma segura en el suelo y generando hojas largas y flexibles que no se rompan. Los animales dependerían de la visión infrarroja, ya que las señales mediante llamadas u olores serían difíciles con el estruendo del vendaval planetario. Sin embargo, la vida submarina estaría protegida de vientos feroces y llamaradas, y vastas floraciones de plancton y algas fotosintéticas negras podrían sustentar la vida marina. [29]
En contraste con el panorama previamente sombrío para la vida, estudios de 1997 realizados por Robert Haberle y Manoj Joshi del Centro de Investigación Ames de la NASA en California han demostrado que la atmósfera de un planeta (suponiendo que incluyera los gases de efecto invernadero CO 2 y H 2 O ) sólo necesita tener 100 milibar , o el 10% de la atmósfera terrestre, para que el calor de la estrella sea efectivamente transportado al lado nocturno, una cifra que está dentro de los límites de la fotosíntesis. [30] Una investigación realizada dos años después por Martin Heath del Greenwich Community College ha demostrado que el agua de mar también podría circular efectivamente sin congelarse si las cuencas oceánicas fueran lo suficientemente profundas como para permitir el libre flujo debajo de la capa de hielo del lado nocturno. Además, un estudio de 2010 concluyó que los mundos acuáticos similares a la Tierra , fijados por las mareas a sus estrellas, todavía tendrían temperaturas superiores a 240 K (-33 °C) en el lado nocturno. [31] Los modelos climáticos construidos en 2013 indican que la formación de nubes en planetas bloqueados por mareas minimizaría la diferencia de temperatura entre el lado diurno y el nocturno, mejorando en gran medida las perspectivas de habitabilidad de los planetas enanas rojas. [4] Investigaciones adicionales, incluida una consideración de la cantidad de radiación fotosintéticamente activa, han sugerido que los planetas bloqueados por mareas en sistemas enanos rojos podrían al menos ser habitables para plantas superiores. [32]
La existencia de un lado diurno y un lado nocturno permanentes no es el único revés potencial para la vida alrededor de las enanas rojas. El calentamiento de las mareas experimentado por los planetas en la zona habitable de las enanas rojas, con menos del 30% de la masa del Sol, puede hacer que se "calienten" y se conviertan en "Venus de las mareas". [1] Se midió la excentricidad de más de 150 planetas que orbitan alrededor de enanas M y se descubrió que dos tercios de estos exoplanetas están expuestos a fuerzas de marea extremas, lo que los vuelve inhabitables debido al intenso calor generado por el calentamiento de las mareas. [33]
Combinado con otros impedimentos para la habitabilidad de las enanas rojas, [3] esto puede hacer que la probabilidad de que muchas enanas rojas alberguen vida tal como la conocemos sea muy baja en comparación con otros tipos de estrellas. [2] Puede que ni siquiera haya suficiente agua para los planetas habitables alrededor de muchas enanas rojas; [34] La poca agua que se encuentra en estos planetas, en particular en los del tamaño de la Tierra, puede estar ubicada en el lado frío nocturno del planeta. Sin embargo, en contraste con las predicciones de estudios anteriores sobre las Venus de marea, esta "agua atrapada" puede ayudar a evitar los efectos de invernadero descontrolados y mejorar la habitabilidad de los sistemas de enanas rojas. [35]
Las lunas de gigantes gaseosos dentro de una zona habitable podrían superar este problema ya que quedarían fijadas por mareas a su estrella primaria y no a su estrella, y por lo tanto experimentarían un ciclo día-noche. El mismo principio se aplicaría a los planetas dobles , que probablemente estarían unidos entre sí por mareas.
Sin embargo, tenga en cuenta que la rapidez con la que se produce el bloqueo de las mareas puede depender de los océanos e incluso de la atmósfera de un planeta, y puede significar que el bloqueo de las mareas no se produce incluso después de muchos Gyrs. Además, el bloqueo de las mareas no es el único estado final posible de la amortiguación de las mareas. Mercurio, por ejemplo, ha tenido tiempo suficiente para bloquearse en forma de marea, pero se encuentra en una resonancia de órbita de espín de 3:2. [36]
Las enanas rojas son mucho más variables y violentas que sus primas más grandes y estables. A menudo están cubiertos de manchas estelares que pueden atenuar la luz emitida hasta en un 40% durante meses seguidos. En la Tierra la vida se ha adaptado de muchas maneras a las temperaturas igualmente reducidas del invierno. La vida puede sobrevivir hibernando y/o sumergiéndose en aguas profundas donde las temperaturas podrían ser más constantes. Los océanos potencialmente se congelarían durante los períodos de frío extremo. Si es así, una vez que finalice el período de oscuridad, el albedo del planeta sería mayor que antes de la atenuación. Esto significa que se reflejaría más luz de la enana roja, lo que impediría que las temperaturas se recuperaran o posiblemente reduciría aún más las temperaturas planetarias. [ cita necesaria ]
En otras ocasiones, las enanas rojas emiten llamaradas gigantescas que pueden duplicar su brillo en cuestión de minutos. [37] De hecho, a medida que más y más enanas rojas han sido examinadas para determinar su variabilidad, más de ellas han sido clasificadas como estrellas llamaradas en un grado u otro. Esta variación de brillo podría ser muy perjudicial para la vida. Las llamaradas también podrían producir torrentes de partículas cargadas que podrían destruir porciones considerables de la atmósfera del planeta. [38] Los científicos que suscriben la hipótesis de las Tierras Raras dudan de que las enanas rojas puedan albergar vida en medio de fuertes llamaradas. El bloqueo de las mareas probablemente daría como resultado un momento magnético planetario relativamente bajo . Las enanas rojas activas que emiten eyecciones de masa coronal (CME) inclinarían la magnetosfera hacia atrás hasta que entrara en contacto con la atmósfera planetaria. Como resultado, la atmósfera sufriría una fuerte erosión, posiblemente dejando el planeta inhabitable. [39] [40] [41] Se descubrió que las enanas rojas tienen una tasa de CME mucho más baja de lo esperado por su rotación o actividad de llamarada, y las CME grandes rara vez ocurren. Esto sugiere que la erosión atmosférica es causada principalmente por la radiación más que por las CME. [42]
De lo contrario, se sugiere que si el planeta tuviera un campo magnético, desviaría las partículas de la atmósfera (incluso la rotación lenta de un planeta enano M bloqueado por mareas (gira una vez cada vez que orbita su estrella) sería suficiente generar un campo magnético mientras parte del interior del planeta permaneciera fundido). [43] Este campo magnético debería ser mucho más fuerte en comparación con el de la Tierra para brindar protección contra llamaradas de la magnitud observada (10-1000 G en comparación con los 0,5 G terrestres), que es poco probable que se generen. [44] Pero los modelos matemáticos concluyen que, [45] [46] [47] incluso bajo las intensidades de campo magnético más altas posibles generadas por dinamo, los exoplanetas con masas similares a la de la Tierra pierden una fracción significativa de sus atmósferas por la erosión del la atmósfera de la exobase por explosiones de CME y emisiones de XUV (incluso aquellos planetas similares a la Tierra a menos de 0,8 AU, que afectan también a las estrellas G y K, son propensos a perder sus atmósferas). La erosión atmosférica podría incluso provocar el agotamiento del agua de los océanos. [48] Los planetas envueltos por una espesa neblina de hidrocarburos como el de la Tierra primordial o Titán, la luna de Saturno, aún podrían sobrevivir a las llamaradas, ya que las gotas flotantes de hidrocarburos son particularmente eficientes para absorber la radiación ultravioleta. [49]
Las mediciones reales rechazan la presencia de atmósferas relevantes en dos exoplanetas que orbitan una enana roja: TRAPPIST-1 b y TRAPPIST-1 c son rocas desnudas o tienen atmósferas mucho más delgadas. [50]
Otra forma en que la vida podría inicialmente protegerse de la radiación sería permanecer bajo el agua hasta que la estrella hubiera pasado por su etapa inicial de llamarada, suponiendo que el planeta pudiera retener suficiente atmósfera para sustentar océanos líquidos. Los científicos que escribieron el programa de televisión " Aurelia " creían que la vida podría sobrevivir en la tierra a pesar de la llamarada de una enana roja. Una vez que la vida llegó a la tierra, la baja cantidad de luz ultravioleta producida por una silenciosa enana roja significa que la vida podría prosperar sin una capa de ozono y, por lo tanto, nunca necesitaría producir oxígeno. [21]
Para que un planeta alrededor de una estrella enana roja albergue vida, se necesitaría un campo magnético que gire rápidamente para protegerlo de las llamaradas. Un planeta bloqueado por mareas gira muy lentamente y, por lo tanto, no puede producir una geodinamo en su núcleo. Se estima que el período de violentas llamaradas del ciclo de vida de una enana roja dura sólo unos 1.200 millones de años de su existencia. Si un planeta se forma lejos de una enana roja para evitar el bloqueo de las mareas y luego migra a la zona habitable de la estrella después de este período inicial turbulento, es posible que la vida tenga una oportunidad de desarrollarse. [51]
Se ha descubierto que las llamaradas más grandes ocurren en latitudes altas cerca de los polos estelares; Entonces, si la órbita de un exoplaneta está alineada con la rotación estelar, las llamaradas lo afectarán menos de lo que se pensaba anteriormente. [52] Sin embargo, las observaciones de la estrella de Barnard, de entre 7 y 12 mil millones de años, muestran que incluso las enanas rojas más antiguas pueden tener una actividad de llamaradas significativa. Durante mucho tiempo se supuso que la estrella de Barnard tenía poca actividad, pero en 1998 los astrónomos observaron una intensa llamarada estelar , lo que demuestra que se trata de una estrella fulgurante . [53]
Una gran ventaja que tienen las enanas rojas sobre otras estrellas como morada de vida es su longevidad. Fueron necesarios 4.500 millones de años antes de que el hombre apareciera en la Tierra, y las condiciones adecuadas para la vida durarán 1.500 millones de años más. [54] Las enanas rojas existen desde hace billones de años, porque sus reacciones nucleares son mucho más lentas que las de las estrellas más grandes, lo que significa que la vida tendría mucho más tiempo para evolucionar y sobrevivir potencialmente. Y dada la ubicuidad de las enanas rojas, la zona habitable total alrededor de todas las enanas rojas combinadas es probablemente igual a la cantidad total alrededor de estrellas similares al Sol, incluso si las zonas habitables individuales son más raras o más estrechas. [55] La primera súper Tierra con una masa de 3 a 4 veces la de la Tierra encontrada en la zona potencialmente habitable de su estrella es Gliese 581g , y su estrella, Gliese 581 , es de hecho una enana roja. Aunque está bloqueado por mareas, se cree posible que en su terminador pueda existir agua líquida. [56] Se cree que el planeta ha existido durante aproximadamente 7 mil millones de años y tiene una masa lo suficientemente grande como para soportar una atmósfera.
Otra posibilidad podría surgir en un futuro lejano, cuando, según simulaciones por ordenador, una enana roja se convierta en una enana azul a medida que se agote su suministro de hidrógeno . Como este tipo de estrella es más luminosa que la anterior enana roja, los planetas que la orbitan y que estuvieron congelados durante la etapa anterior podrían descongelarse durante los varios miles de millones de años que dura esta etapa evolutiva (5 mil millones de años, por ejemplo, para una estrella de 0,16 M ☉ estrella), dando a la vida la oportunidad de aparecer y evolucionar. [57]
Los planetas pueden retener cantidades significativas de agua en la zona habitable de las enanas ultrafrías, con un punto óptimo en el rango de 0,08 – 0,11 M ⊙ , a pesar de la fotólisis del agua por FUV y el escape de hidrógeno impulsado por XUV . [58]
Los océanos de los mundos acuáticos que orbitan alrededor de enanas M podrían verse agotados en la escala de tiempo Gyr debido a los entornos más intensos de partículas y radiación que experimentan los exoplanetas en zonas habitables cercanas. Si la atmósfera se agotara en una escala de tiempo inferior a Gyr, esto podría resultar problemático para el origen de la vida ( abiogénesis ) en el planeta. [48]
Si la vida basada en metano es posible (similar a la hipotética vida en Titán ), habría una segunda zona habitable más alejada de la estrella correspondiente a la región donde el metano es líquido. La atmósfera de Titán es transparente a la luz roja e infrarroja, por lo que se esperaría que más luz de las enanas rojas alcanzara la superficie de un planeta similar a Titán. [59]
Un estudio de los datos de archivo de Spitzer da una primera idea y estimación de la frecuencia con la que hay mundos del tamaño de la Tierra alrededor de estrellas enanas ultrafrías : entre un 30% y un 45%. [60] Una simulación por computadora encuentra que los planetas que se forman alrededor de estrellas con masa similar a TRAPPIST-1 (c. 0,084 M ⊙ ) probablemente tengan tamaños similares a los de la Tierra. [61]
Existen los siguientes ejemplos de "alienígenas" ficticios que existen dentro de los sistemas estelares de Red Dwarf:
Materiales de aprendizaje de Wikiversity:
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