En astrobiología y astrofísica planetaria , la zona habitable galáctica es la región de una galaxia en la que es más probable que se desarrolle vida . El concepto de zona habitable galáctica analiza diversos factores, como la metalicidad (la presencia de elementos más pesados que el hidrógeno y el helio) y la tasa y densidad de grandes catástrofes como las supernovas , y los utiliza para calcular qué regiones de una galaxia tienen más probabilidades de formar planetas terrestres , desarrollar inicialmente vida simple y proporcionar un entorno adecuado para que esta vida evolucione y avance. [1] Según una investigación publicada en agosto de 2015, las galaxias muy grandes pueden favorecer el nacimiento y desarrollo de planetas habitables más que las galaxias más pequeñas como la Vía Láctea . [2] En el caso de la Vía Láctea, se cree comúnmente que su zona habitable galáctica es un anillo con un radio exterior de aproximadamente 10 kiloparsecs (33.000 años luz ) y un radio interior cercano al centro galáctico (ambos radios carecen de límites estrictos). [1] [3]
La teoría de la zona habitable galáctica ha sido criticada debido a la incapacidad de cuantificar con precisión los factores que hacen que una región de una galaxia sea favorable para el surgimiento de la vida. [3] Además, las simulaciones por computadora sugieren que las estrellas pueden cambiar sus órbitas alrededor del centro galáctico de manera significativa, lo que desafía al menos en parte la visión de que algunas áreas galácticas son necesariamente más propicias para la vida que otras. [4] [5] [6]
La idea de la zona habitable circunestelar fue introducida en 1953 por Hubertus Strughold y Harlow Shapley [7] [8] y en 1959 por Su-Shu Huang [9] como la región alrededor de una estrella en la que un planeta en órbita podría retener agua en su superficie. A partir de la década de 1970, los científicos planetarios y los astrobiólogos comenzaron a considerar varios otros factores necesarios para la creación y el sustento de la vida, incluido el impacto que una supernova cercana puede tener en el desarrollo de la vida. [10] En 1981, el científico informático Jim Clarke propuso que la aparente falta de civilizaciones extraterrestres en la Vía Láctea podría explicarse por estallidos de tipo Seyfert de un núcleo galáctico activo , y que la Tierra sería la única que se libraría de esta radiación en virtud de su ubicación en la galaxia. [11] En el mismo año, Wallace Hampton Tucker analizó la habitabilidad galáctica en un contexto más general, pero trabajos posteriores reemplazaron sus propuestas. [12]
La teoría moderna de la zona habitable galáctica fue introducida en 1986 por LS Marochnik y LM Mukhin del Instituto Ruso de Investigación Espacial , quienes definieron la zona como la región en la que podría florecer la vida inteligente . [13] Donald Brownlee y el paleontólogo Peter Ward ampliaron el concepto de zona habitable galáctica, así como los otros factores necesarios para el surgimiento de la vida compleja , en su libro de 2000 Rare Earth: Why Complex Life is Uncommon in the Universe . [14] En ese libro, los autores utilizaron la zona habitable galáctica, entre otros factores, para argumentar que la vida inteligente no es una ocurrencia común en el Universo.
La idea de una zona habitable galáctica fue desarrollada más a fondo en 2001 en un artículo de Ward y Brownlee, en colaboración con Guillermo González de la Universidad de Washington . [15] [16] En ese artículo, González, Brownlee y Ward afirmaron que las regiones cercanas al halo galáctico carecerían de los elementos más pesados necesarios para producir planetas terrestres habitables , creando así un límite exterior al tamaño de la zona habitable galáctica. [10] Sin embargo, estar demasiado cerca del centro galáctico expondría a un planeta habitable a numerosas supernovas y otros eventos cósmicos energéticos, así como a impactos cometarios excesivos causados por perturbaciones de la nube de Oort de la estrella anfitriona . Por lo tanto, los autores establecieron un límite interior para la zona habitable galáctica, ubicada justo fuera del bulbo galáctico . [10]
Para identificar una ubicación en la galaxia como parte de la zona habitable galáctica, se deben tener en cuenta diversos factores, entre ellos la distribución de estrellas y brazos espirales, la presencia o ausencia de un núcleo galáctico activo, la frecuencia de supernovas cercanas que pueden amenazar la existencia de vida, la metalicidad de esa ubicación y otros factores. [10] Sin el cumplimiento de estos factores, una región de la galaxia no puede crear ni sustentar vida de manera eficiente.
Uno de los requisitos más básicos para la existencia de vida alrededor de una estrella es la capacidad de esa estrella de producir un planeta terrestre de masa suficiente para sustentarla. Se requieren varios elementos, como hierro , magnesio , titanio , carbono , oxígeno , silicio y otros, para producir planetas habitables, y la concentración y las proporciones de estos varían a lo largo de la galaxia. [10]
La relación elemental de referencia más común es la de Fe/H , uno de los factores que determinan la propensión de una región de la galaxia a producir planetas terrestres. El bulbo galáctico , la región de la galaxia más cercana al centro galáctico, tiene una distribución [Fe/H] que alcanza un máximo de −0,2 unidades de exponente decimal (dex) en relación con la relación del Sol (donde −1 sería 1 ⁄ 10 de dicha metalicidad ); el disco delgado , en el que se encuentran los sectores locales del brazo local , tiene una metalicidad media de −0,02 dex a la distancia orbital del Sol alrededor del centro galáctico, reduciéndose en 0,07 dex por cada kiloparsec adicional de distancia orbital. El disco grueso extendido tiene un [Fe/H] promedio de −0,6 dex, mientras que el halo , la región más alejada del centro galáctico, tiene el pico de distribución de [Fe/H] más bajo, alrededor de −1,5 dex. [10] Además, proporciones como [C/O], [Mg/Fe], [Si/Fe] y [S/Fe] pueden ser relevantes para la capacidad de una región de una galaxia de formar planetas terrestres habitables, y de estos [Mg/Fe] y [Si/Fe] se están reduciendo lentamente con el tiempo, lo que significa que es más probable que los futuros planetas terrestres posean núcleos de hierro más grandes. [10]
Además de cantidades específicas de los diversos elementos estables que comprenden la masa de un planeta terrestre, se requiere una abundancia de radionucleidos como 40 K , 235 U , 238 U y 232 Th para calentar el interior del planeta y alimentar procesos que sustentan la vida, como la tectónica de placas , el vulcanismo y un dinamo geomagnético . [10] Las razones [U/H] y [Th/H] dependen de la razón [Fe/H]; sin embargo, no se puede crear una función general para la abundancia de 40 K con los datos existentes. [10]
Incluso en un planeta habitable con suficientes radioisótopos para calentar su interior, se requieren varias moléculas prebióticas para producir vida; por lo tanto, la distribución de estas moléculas en la galaxia es importante para determinar la zona habitable galáctica. [13] Un estudio de 2008 realizado por Samantha Blair y sus colegas intentó determinar el borde exterior de la zona habitable galáctica mediante el análisis de las emisiones de formaldehído y monóxido de carbono de varias nubes moleculares gigantes dispersas por toda la Vía Láctea; sin embargo, los datos no son concluyentes ni completos.
Si bien una alta metalicidad es beneficiosa para la creación de planetas extrasolares terrestres , una cantidad excesiva puede ser perjudicial para la vida. El exceso de metalicidad puede conducir a la formación de una gran cantidad de gigantes gaseosos en un sistema determinado, que posteriormente pueden migrar desde más allá de la línea de congelación del sistema y convertirse en Júpiter calientes , perturbando planetas que de otro modo habrían estado ubicados en la zona habitable circunestelar del sistema. [17] Por lo tanto, se encontró que el principio de Ricitos de Oro también se aplica a la metalicidad; los sistemas de baja metalicidad tienen bajas probabilidades de formar planetas de masa terrestre, mientras que las metalicidades excesivas causan el desarrollo de una gran cantidad de gigantes gaseosos, alterando la dinámica orbital del sistema y alterando la habitabilidad de los planetas terrestres en el sistema.
Además de estar en una región de la galaxia que es químicamente ventajosa para el desarrollo de la vida, una estrella también debe evitar una cantidad excesiva de eventos cósmicos catastróficos con el potencial de dañar la vida en sus planetas que de otro modo serían habitables. [17] Las supernovas cercanas, por ejemplo, tienen el potencial de dañar gravemente la vida en un planeta; con una frecuencia excesiva, tales estallidos catastróficos tienen el potencial de esterilizar una región entera de una galaxia durante miles de millones de años. El bulbo galáctico, por ejemplo, experimentó una ola inicial de formación estelar extremadamente rápida, [10] desencadenando una cascada de supernovas que durante cinco mil millones de años dejaron esa área casi completamente incapaz de desarrollar vida.
Además de las supernovas, se ha propuesto que los estallidos de rayos gamma , [18] cantidades excesivas de radiación, perturbaciones gravitacionales [17] y otros eventos afectan la distribución de la vida dentro de la galaxia. Entre ellos se incluyen, de manera controvertida, propuestas como las "mareas galácticas" con el potencial de inducir impactos de cometas o incluso cuerpos fríos de materia oscura [18] que pasan a través de organismos e inducen mutaciones genéticas. [19] Sin embargo, el impacto de muchos de estos eventos puede ser difícil de cuantificar. [17]
Varias características morfológicas de las galaxias pueden afectar su potencial de habitabilidad. Los brazos espirales, por ejemplo, son el lugar de formación de estrellas, pero contienen numerosas nubes moleculares gigantes y una alta densidad de estrellas que pueden perturbar la nube de Oort de una estrella , enviando avalanchas de cometas y asteroides hacia cualquier planeta más alejado. [20] Además, la alta densidad de estrellas y la tasa de formación de estrellas masivas pueden exponer a cualquier estrella que orbite dentro de los brazos espirales durante demasiado tiempo a explosiones de supernova, lo que reduce sus perspectivas de supervivencia y desarrollo de vida. [20] Considerando estos factores, el Sol está ventajosamente ubicado dentro de la galaxia porque, además de estar fuera de un brazo espiral, orbita cerca del círculo de corrotación , maximizando el intervalo entre los cruces de brazos espirales. [20] [21]
Los brazos espirales también tienen la capacidad de provocar cambios climáticos en un planeta. Al pasar a través de las densas nubes moleculares de los brazos espirales galácticos, los vientos estelares pueden ser empujados hacia atrás hasta el punto de que se acumule una capa de hidrógeno reflectante en la atmósfera de un planeta en órbita, lo que tal vez dé lugar a un escenario de Tierra con efecto bola de nieve . [6] [22]
Una barra galáctica también tiene el potencial de afectar el tamaño de la zona de habitabilidad galáctica. Se cree que las barras galácticas crecen con el tiempo, alcanzando eventualmente el radio de corrotación de la galaxia y perturbando las órbitas de las estrellas que ya están allí. [21] Las estrellas de alta metalicidad como el Sol, por ejemplo, en una ubicación intermedia entre el halo galáctico de baja metalicidad y el centro galáctico de alta radiación, pueden estar dispersas por toda la galaxia, lo que afecta la definición de la zona de habitabilidad galáctica. Se ha sugerido que, por esta razón, puede ser imposible definir adecuadamente una zona de habitabilidad galáctica. [21]
Las primeras investigaciones sobre la zona habitable galáctica, incluido el artículo de 2001 de González, Brownlee y Ward, no demarcaron ningún límite específico, simplemente afirmando que la zona era un anillo que abarcaba una región de la galaxia que estaba enriquecida con metales y a salvo de la radiación excesiva, y que la habitabilidad sería más probable en el delgado disco de la galaxia. [10] Sin embargo, una investigación posterior realizada en 2004 por Lineweaver y sus colegas creó límites para este anillo, que en el caso de la Vía Láctea oscilaban entre 7 kpc y 9 kpc desde el centro galáctico.
El equipo de Lineweaver también analizó la evolución de la zona habitable galáctica con respecto al tiempo, encontrando, por ejemplo, que las estrellas cercanas al bulbo galáctico tuvieron que formarse dentro de una ventana temporal de unos dos mil millones de años para tener planetas habitables. [17] Antes de esa ventana, las estrellas del bulbo galáctico se habrían visto impedidas de tener planetas que sustenten la vida debido a los frecuentes eventos de supernova. Sin embargo, una vez que la amenaza de supernova hubiera disminuido, la creciente metalicidad del núcleo galáctico eventualmente significaría que las estrellas allí tendrían un alto número de planetas gigantes, con el potencial de desestabilizar los sistemas estelares y alterar radicalmente la órbita de cualquier planeta ubicado en la zona habitable circunestelar de una estrella. [17] Sin embargo, las simulaciones realizadas en 2005 en la Universidad de Washington muestran que incluso en presencia de Júpiter calientes, los planetas terrestres pueden permanecer estables en escalas de tiempo largas. [23]
Un estudio de 2006 realizado por Milan Ćirković y sus colegas amplió la noción de una zona habitable galáctica dependiente del tiempo, analizando varios eventos catastróficos, así como la evolución secular subyacente de la dinámica galáctica. [18] El artículo considera que el número de planetas habitables puede fluctuar enormemente con el tiempo debido a la sincronización impredecible de los eventos catastróficos, creando así un equilibrio puntuado en el que los planetas habitables son más probables en algunos momentos que en otros. [18] Basándose en los resultados de las simulaciones de Monte Carlo en un modelo de juguete de la Vía Láctea, el equipo descubrió que es probable que el número de planetas habitables aumente con el tiempo, aunque no en un patrón perfectamente lineal. [18]
Estudios posteriores vieron una revisión más fundamental del viejo concepto de la zona habitable galáctica como un anillo. En 2008, un estudio de Nikos Prantzos reveló que, mientras que la probabilidad de que un planeta escape a la esterilización por supernova era más alta a una distancia de aproximadamente 10 kpc del centro galáctico, la gran densidad de estrellas en la galaxia interior significaba que el mayor número de planetas habitables podría encontrarse allí. [3] La investigación fue corroborada en un artículo de 2011 de Michael Gowanlock, quien calculó la frecuencia de planetas sobrevivientes de supernovas en función de su distancia al centro galáctico, su altura sobre el plano galáctico y su edad, descubriendo finalmente que aproximadamente el 0,3% de las estrellas en la galaxia podrían soportar hoy vida compleja, o el 1,2% si no se considera el bloqueo de marea de los planetas enanos rojos como impedimento para el desarrollo de vida compleja. [1]
La idea de la zona habitable galáctica ha sido criticada por Nikos Prantzos, con el argumento de que los parámetros para crearla son imposibles de definir incluso de forma aproximada, y que por lo tanto la zona habitable galáctica puede ser simplemente una herramienta conceptual útil para permitir una mejor comprensión de la distribución de la vida, en lugar de un fin en sí misma. [3] Por estas razones, Prantzos ha sugerido que toda la galaxia puede ser habitable, en lugar de que la habitabilidad esté restringida a una región específica en el espacio y el tiempo. [3] Además, las estrellas que "cabalgan" en los brazos espirales de la galaxia pueden moverse decenas de miles de años luz desde sus órbitas originales, lo que apoya la noción de que puede no haber una zona habitable galáctica específica. [4] [5] [6] Una simulación de Monte Carlo, mejorando los mecanismos utilizados por Ćirković en 2006, fue realizada en 2010 por Duncan Forgan del Observatorio Real de Edimburgo . Los datos recopilados de los experimentos apoyan la noción de Prantzos de que no existe una zona habitable galáctica sólidamente definida, lo que indica la posibilidad de cientos de civilizaciones extraterrestres en la Vía Láctea, aunque se necesitarán más datos para poder llegar a una determinación definitiva. [24]
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