La habitabilidad teórica de los sistemas de enanas rojas está determinada por una gran cantidad de factores. La evidencia moderna sugiere 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 marea , probable falta de magnetosferas y atmósferas , y la alta variación estelar que experimentarían dichos planetas . Sin embargo, la gran cantidad y longevidad de las enanas rojas podrían brindar una amplia oportunidad para hacer realidad cualquier pequeña posibilidad de habitabilidad.
Los argumentos actuales sobre la habitabilidad de los sistemas de enanas rojas no han sido resueltos y la zona sigue siendo una cuestión de estudio abierta en los campos de modelado climático y la evolución de la vida en la Tierra. Los datos de observación y los argumentos estadísticos sólidos sugieren que los sistemas de enanas rojas son inhabitables por razones indeterminadas. [1] Por otro lado, los modelos climáticos 3D favorecen la habitabilidad [2] y zonas habitables más amplias para planetas de rotación lenta y bloqueados por las mareas. [3]
Un importante impedimento para el desarrollo de la vida en los sistemas de enanas rojas es el intenso calentamiento por mareas causado por las órbitas excéntricas de los planetas alrededor de sus estrellas anfitrionas. [4] [5] Otros efectos de marea reducen la probabilidad de vida alrededor de las enanas rojas, como la falta de inclinaciones axiales planetarias y las diferencias extremas de temperatura creadas por un lado del planeta que está permanentemente de cara a la estrella y el otro que está perpetuamente de espaldas. Aun así, una atmósfera planetaria puede redistribuir el calor, haciendo que las temperaturas sean más uniformes. [6] [5] Sin embargo, es importante tener en cuenta que la mayoría de las estrellas con llamaradas son enanas rojas, y sus eventos de llamaradas podrían reducir en gran medida la habitabilidad de sus satélites al erosionar su atmósfera (aunque un campo magnético planetario podría protegerlas de estas llamaradas). [7] Los factores no mareales reducen aún más las perspectivas de vida en los sistemas de enanas rojas, como las distribuciones de energía espectral desplazadas hacia el lado infrarrojo del espectro en relación con el Sol y las pequeñas zonas habitables circunestelares debido a la baja emisión de luz. [5]
Sin embargo, existen algunos factores que podrían aumentar la probabilidad de vida en los planetas enanos rojos. La intensa formación de nubes en el lado de cara a la estrella 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. [8] Además, la gran cantidad de enanas rojas aumenta estadísticamente la probabilidad de que puedan existir planetas habitables orbitando algunas de ellas. Las enanas rojas representan aproximadamente el 85% de las estrellas en la Vía Láctea [9] [10] y constituyen la gran mayoría de las estrellas en galaxias espirales y elípticas. Se espera que haya decenas de miles de millones de planetas supertierras en las zonas habitables de las estrellas enanas rojas en la Vía Láctea. [11] Investigar la habitabilidad de los sistemas estelares enanos rojos podría ayudar a determinar la frecuencia de la vida en el universo y ayudar a la comprensión científica de la evolución de la vida.
Las enanas rojas [12] son el tipo de estrella más pequeño, más frío 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 , [13] [14] una cifra mediana citada a menudo es el 72-76% de las estrellas en la Vía Láctea (se sabe desde la década de 1990 a partir de la observación radiotelescópica que es una espiral barrada ). [15] Las enanas rojas generalmente se definen como de tipo espectral M, aunque algunas definiciones son más amplias (incluyendo 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, Proxima Centauri , no está cerca de la magnitud visual. La enana roja más brillante en el cielo nocturno de la Tierra, Lacaille 8760 (+6.7) es visible a simple vista solo en condiciones de observación ideales.
La mayor ventaja de las enanas rojas como estrellas candidatas para la vida es su longevidad. La vida inteligente tardó 4.500 millones de años en evolucionar en la Tierra, y la vida tal como la conocemos tendrá condiciones adecuadas durante 1 [16] a 2.3 [17] 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. [18] Además, esta cantidad total de zona habitable durará más tiempo, porque las estrellas enanas rojas viven cientos de miles de millones de años o incluso más en la secuencia principal, [19] lo que potencialmente permite la evolución de vida microbiana o inteligente en el futuro.
Durante años, los astrónomos han sido pesimistas sobre las enanas rojas como posibles candidatas para albergar 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 se realicen de forma extremadamente lenta, lo que les confiere bajas luminosidades que van desde el 10% hasta apenas el 0,0125% de la del Sol de la Tierra. [20] 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 (UA) para una enana roja relativamente luminosa como Lacaille 8760 hasta 0,032 UA para una estrella más pequeña como Proxima Centauri . [21] Un mundo así tendría un año que duraría solo de 3 a 150 días terrestres. [22] [23]
A estas distancias tan cercanas, la gravedad de la estrella provocaría un bloqueo de marea. Un lado del planeta estaría eternamente de cara a la estrella, mientras que el otro siempre estaría de espaldas a ella. La única forma en que la vida potencial podría evitar un infierno o una congelación profunda sería si el planeta tuviera una atmósfera lo suficientemente espesa como para transferir el calor de la estrella del lado diurno al lado nocturno. La fotosíntesis en un planeta así sería difícil, ya que gran parte de la baja luminosidad cae dentro de la parte infrarroja y roja de menor energía del espectro electromagnético, y por lo tanto requeriría fotones adicionales para alcanzar potenciales de excitación. [24] Las plantas potenciales probablemente se adaptarían a un espectro mucho más amplio (y, por lo tanto, aparecerían negras en la luz visible). [24]
Además, debido a que el agua absorbe fuertemente la luz roja e infrarroja, habría menos energía disponible para la vida acuática en los planetas enanos rojos. [25] 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. [26]
La evolución de las estrellas enanas rojas también puede inhibir la habitabilidad. Como las estrellas enanas rojas tienen una fase pre-secuencia principal prolongada, sus zonas habitables finales serían durante alrededor de mil millones de años en una zona donde el agua no era líquida sino más bien en estado gaseoso. Por lo tanto, los planetas terrestres en las zonas habitables actuales, si hubieran contado con abundante agua superficial en su formación, habrían estado sujetos a un efecto invernadero descontrolado durante varios cientos de millones de años. Durante una fase temprana de invernadero descontrolado, la fotólisis del vapor de agua permitiría el escape de hidrógeno al espacio y la pérdida de varios océanos de agua de la Tierra, dejando una atmósfera espesa de oxígeno abiótico. [27]
Como la vida útil de las estrellas enanas rojas supera la edad del universo conocido, la evolución posterior de las enanas rojas solo se conoce mediante teoría y simulaciones. Según las simulaciones por computadora, una enana roja se convierte en una enana azul después de agotar su suministro de hidrógeno . Como este tipo de estrella es más luminosa que la enana roja anterior, los planetas que orbitan alrededor de ella y que se congelaron 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 ☉ ), lo que le da a la vida la oportunidad de aparecer y evolucionar. [28]
Para que los planetas retengan cantidades significativas de agua en la zona habitable de las estrellas enanas ultrafrías, un planeta debe orbitar muy cerca de la estrella. [29] A estas distancias orbitales cercanas, es probable que se produzca un bloqueo de marea con la estrella anfitriona. El bloqueo de marea 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 estaría perpetuamente de cara al otro lado, lo que crearía grandes extremos de temperatura.
Durante muchos años se creyó que la vida en esos 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 una transferencia de calor eficiente entre los lados del planeta requiere una circulación atmosférica de una atmósfera tan espesa que no permita la fotosíntesis. Debido al calentamiento diferencial, se argumentó, un planeta bloqueado por mareas experimentaría vientos feroces con lluvias torrenciales permanentes en el punto directamente orientado hacia la estrella local, [30] el punto subsolar . En opinión de un autor, esto hace que la vida compleja sea improbable. [31] La vida vegetal tendría que adaptarse al vendaval constante, por ejemplo, anclándose de forma segura en el suelo y brotando hojas largas y flexibles que no se rompan. Los animales dependerían de la visión infrarroja, ya que la señalización mediante llamadas u olores sería difícil por encima del estruendo del vendaval planetario. Sin embargo, la vida submarina estaría protegida de los fuertes vientos y las llamaradas, y vastas floraciones de plancton fotosintético negro y algas podrían sustentar la vida marina. [32]
En contraste con el sombrío panorama anterior para la vida, estudios de 1997 del Centro de Investigación Ames de la NASA han demostrado que la atmósfera de un planeta (suponiendo que incluyera gases de efecto invernadero CO2 y H2O ) solo necesita ser de 100 milibares , o el 10% de la atmósfera de la Tierra, para que el calor de la estrella sea transportado efectivamente al lado nocturno, una cifra dentro de los límites de la fotosíntesis. [33] Investigaciones posteriores han demostrado que el agua de mar también podría circular efectivamente sin congelarse si las cuencas oceánicas fueran lo suficientemente profundas como para permitir el flujo libre debajo de la capa de hielo del lado nocturno. Además, un estudio de 2010 concluyó que los mundos acuáticos similares a la Tierra bloqueados por mareas con sus estrellas aún tendrían temperaturas superiores a 240 K (−33 °C) en el lado nocturno. [34] 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 enanos rojos. [8] Investigaciones posteriores, que incluyen una consideración de la cantidad de radiación fotosintéticamente activa, han sugerido que los planetas bloqueados por mareas en sistemas de enanas rojas podrían al menos ser habitables para plantas superiores. [35]
La existencia de un lado diurno y un lado nocturno permanentes no es el único obstáculo potencial para la vida alrededor de las enanas rojas. El calentamiento por mareas que experimentan los planetas en la zona habitable de las enanas rojas con una masa inferior al 30% de la del Sol puede hacer que se "quemen" y se conviertan en "Venus de marea". [4] 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 por mareas. [36]
Combinado con otros impedimentos a la habitabilidad de las enanas rojas, [6] 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. [5] Puede que ni siquiera haya suficiente agua para planetas habitables alrededor de muchas enanas rojas; [37] la poca agua que se encuentra en estos planetas, en particular los del tamaño de la Tierra, puede estar ubicada en el lado frío y nocturno del planeta. Sin embargo, en contraste con las predicciones de estudios anteriores sobre Venus mareales, esta "agua atrapada" puede ayudar a evitar efectos de invernadero descontrolados y mejorar la habitabilidad de los sistemas de enanas rojas. [38]
Sin embargo, cabe señalar que la velocidad con la que se produce el bloqueo de mareas puede depender de los océanos e incluso de la atmósfera del planeta, y puede significar que el bloqueo de mareas no se produzca incluso después de muchos miles de millones de años. Además, el bloqueo de mareas no es el único estado final posible de amortiguación de mareas. Mercurio, por ejemplo, ha tenido tiempo suficiente para bloquearse por mareas, pero se encuentra en una resonancia de órbita de espín 3:2. [39]
Las enanas rojas son mucho más volátiles que sus primas más grandes y estables. A menudo están cubiertas de manchas estelares que pueden atenuar la luz que emiten hasta en un 40% durante meses. En otras ocasiones, las enanas rojas emiten llamaradas gigantescas que pueden duplicar su brillo en cuestión de minutos. [40] De hecho, a medida que se han estudiado cada vez más enanas rojas en busca de variabilidad, se ha clasificado a más de ellas como estrellas con llamaradas en un grado u otro. Esa variación en el brillo podría ser muy perjudicial para la vida. Los modelos climáticos 3D recientes simulan los eventos de llamaradas alterando el flujo estelar que recibe un planeta determinado. Un estudio descubrió que, si un planeta bloqueado por mareas posee una atmósfera suficiente, la cobertura de nubes y el albedo aumentan monótonamente con el flujo estelar, lo que aumenta la resistencia del planeta a las variaciones en la radiación. [8] Sin embargo, esta advertencia ha resultado difícil, ya que las llamaradas producen torrentes de partículas cargadas que podrían arrancar porciones considerables de la atmósfera del planeta. [41] Los científicos que se adhieren a la hipótesis de las Tierras Raras dudan de que las enanas rojas puedan albergar vida en medio de fuertes llamaradas. El bloqueo de marea probablemente daría como resultado un momento magnético planetario relativamente bajo . Las enanas rojas activas que emiten eyecciones de masa coronal (CMEs) arquearían la magnetosfera hasta que entrara en contacto con la atmósfera planetaria. Como resultado, la atmósfera sufriría una fuerte erosión, posiblemente dejando al planeta inhabitable. [42] [43] [44] Se encontró que las enanas rojas tienen una tasa de CME mucho menor de lo esperado a partir de su actividad de rotación o llamaradas, y rara vez ocurren grandes CME. Esto sugiere que la erosión atmosférica es causada principalmente por la radiación en lugar de CME. [45]
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 las mareas (gira una vez por cada vez que orbita su estrella) sería suficiente para generar un campo magnético siempre que parte del interior del planeta permaneciera fundido). [46] Este campo magnético debería ser mucho más fuerte en comparación con el de la Tierra para brindar protección contra erupciones de la magnitud observada (10-1000 G en comparación con los 0,5 G terrestres), que es poco probable que se generen. [47] Pero los modelos matemáticos concluyen que, [48] [49] [50] incluso bajo las intensidades de campo magnético generadas por dinamo más altas alcanzables, los exoplanetas con masas similares a la de la Tierra pierden una fracción significativa de sus atmósferas por la erosión de la atmósfera de la exobase por ráfagas de eyecciones de masa coronal y emisiones XUV (incluso aquellos planetas similares a la Tierra más cercanos a 0,8 UA, que afectan también a las estrellas G y K, son propensos a perder sus atmósferas). La erosión atmosférica incluso podría desencadenar el agotamiento de los océanos de agua. [51] Los planetas envueltos por una espesa neblina de hidrocarburos como el de la Tierra primigenia o la luna Titán de Saturno aún podrían sobrevivir a las llamaradas, ya que las gotas flotantes de hidrocarburos son particularmente eficientes para absorber la radiación ultravioleta. [52]
Las mediciones actuales rechazan la presencia de atmósferas relevantes en dos exoplanetas que orbitan alrededor de una enana roja: TRAPPIST-1 b y TRAPPIST-1 c son rocas desnudas o tienen atmósferas mucho más delgadas. [53]
Otra forma en que la vida podría protegerse inicialmente 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 sostener océanos líquidos. Una vez que la vida llegara a la tierra, la baja cantidad de rayos ultravioleta producidos por una enana roja tranquila significa que la vida podría prosperar sin una capa de ozono y, por lo tanto, nunca necesitaría producir oxígeno. [24]
Para que un planeta que orbita alrededor de una estrella enana roja pueda albergar vida, se necesitaría un campo magnético que girara rápidamente para protegerlo de las llamaradas. Un planeta bloqueado por mareas gira muy lentamente, por lo que no puede producir un geodinamo en su núcleo. Se estima que el violento período de llamaradas del ciclo de vida de una enana roja dura solo alrededor de los primeros 1.200 millones de años de su existencia. Si un planeta se forma lejos de una enana roja para evitar el bloqueo por mareas, y luego migra a la zona habitable de la estrella después de este turbulento período inicial, es posible que la vida tenga una oportunidad de desarrollarse. [54]
Se ha descubierto que las llamaradas más grandes ocurren en latitudes altas cerca de los polos estelares; por lo que si la órbita de un exoplaneta está alineada con la rotación estelar, entonces se ve menos afectado por las llamaradas de lo que se pensaba anteriormente. [55] Sin embargo, las observaciones de la estrella de Barnard, de entre 7 y 12 mil millones de años de antigüedad, muestran que incluso las enanas rojas 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 demostró que es una estrella de llamaradas . [56]
Si es posible la vida basada en metano (similar a la vida hipotética 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 alcance la superficie de un planeta como Titán. [57]
Un estudio de datos de archivo de Spitzer proporciona la primera idea y estimación de la frecuencia con la que se forman mundos del tamaño de la Tierra alrededor de estrellas enanas ultrafrías : 30-45 %. [58] Una simulación por computadora descubre que los planetas que se forman alrededor de estrellas con una masa similar a TRAPPIST-1 (c. 0,084 M ⊙ ) probablemente tengan tamaños similares a los de la Tierra. [59]
Existen los siguientes ejemplos de "extraterrestres" ficticios que existen dentro de los sistemas estelares de Enanas Rojas:
Materiales de aprendizaje de Wikiversidad:
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