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Zona habitable

Un diagrama que representa los límites de la zona habitable alrededor de las estrellas y cómo los límites se ven afectados por el tipo de estrella . Este gráfico incluye planetas del Sistema Solar ( Venus , Tierra y Marte ), así como exoplanetas especialmente importantes como TRAPPIST-1d , Kepler-186f y nuestro vecino más cercano, Proxima Centauri b .

En astronomía y astrobiología , la zona habitable ( HZ ), o más precisamente la zona habitable circunestelar ( CHZ ), es el rango de órbitas alrededor de una estrella dentro del cual una superficie planetaria puede soportar agua líquida dada una presión atmosférica suficiente . [1] [2] [3] [4] [5] Los límites del HZ se basan en la posición de la Tierra en el Sistema Solar y la cantidad de energía radiante que recibe del Sol . Debido a la importancia del agua líquida para la biosfera de la Tierra , la naturaleza del HZ y los objetos dentro de él pueden ser fundamentales para determinar el alcance y la distribución de planetas capaces de sustentar vida e inteligencia extraterrestres similares a la Tierra .

La zona habitable también es llamada zona de Ricitos de Oro , metáfora , alusión y antonomasia del cuento infantil " Ricitos de oro y los tres osos ", en el que una niña elige entre conjuntos de tres elementos, ignorando los que son demasiado extremos ( grande o pequeña, caliente o fría, etc.), y decantándose por la del medio, que es "perfecta".

Desde que el concepto se presentó por primera vez en 1953, [6] se ha confirmado que muchas estrellas poseen un planeta HZ, incluidos algunos sistemas que constan de múltiples planetas HZ. [7] La ​​mayoría de estos planetas, ya sean súper Tierras 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 de 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] Alrededor de 11 mil millones de ellos pueden estar orbitando estrellas similares al Sol. [11] Proxima Centauri b , ubicado a unos 4,2 años luz (1,3 pársecs ) de la Tierra en la constelación de Centauro , es el exoplaneta conocido más cercano y orbita en la zona habitable de su estrella. [12] El HZ también es de particular interés para el campo emergente de la habitabilidad de los satélites naturales , porque las lunas de masa planetaria en el HZ podrían superar en número a los planetas. [13]

En las décadas siguientes, el concepto HZ comenzó a ser cuestionado como criterio principal 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 cantidades sustanciales de ella se encuentran fuera de la zona habitable circunestelar. El concepto de biosferas profundas , como la de la Tierra, que existen independientemente de la energía estelar, ahora es generalmente aceptado 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, el agua líquida puede encontrarse incluso en planetas rebeldes o en sus lunas. [19] El agua líquida también puede existir en un rango más amplio de temperaturas y presiones como solución , por ejemplo con cloruros de sodio en el agua de mar en la Tierra, cloruros y sulfatos en Marte ecuatorial , [20] o amoníacos, [21] debido a sus diferentes propiedades coligativas . Además, se han propuesto otras zonas circunestelares, donde podrían existir en forma líquida en la superficie disolventes distintos del agua favorables a la vida hipotética basada en bioquímicas alternativas . [22]

Historia

En los Principia de Newton (Libro III, Sección 1, corol. 4) aparece una estimación del rango de distancias al Sol que permiten la existencia de agua líquida. [23]

El concepto de zona habitable circunestelar fue introducido por primera vez [24] en 1913, por Edward Maunder en su libro "¿Están habitados los planetas?". [25] El concepto fue discutido más tarde en 1953 por Hubertus Strughold , quien en su tratado The Green and the Red Planet: A Physiological Study of the Possibility of Life on Mars , acuñó el término "ecosfera" y se refirió a varias "zonas" en del que podría surgir la vida. [6] [26] En el mismo año, Harlow Shapley escribió "Liquid Water Belt", que describía el mismo concepto con mayor detalle científico. Ambos trabajos enfatizaron la importancia del agua líquida para la vida. [27] 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 habitabilidad planetaria y vida extraterrestre. [28] [29] Huang, uno de los primeros contribuyentes importantes 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. [30]

El concepto de zonas habitables fue desarrollado aún más en 1964 por Stephen H. Dole en su libro Planetas habitables para el hombre , en el que analizó el concepto de zona habitable circunestelar, así como varios otros determinantes de la habitabilidad planetaria, y finalmente estimó el número de zonas habitables. Hay alrededor de 600 millones de planetas en la Vía Láctea. [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 . [31] El término " zona Ricitos de Oro " surgió en la década de 1970, haciendo referencia específicamente a una región alrededor de una estrella cuya temperatura es "perfecta" para que haya agua presente en la fase líquida. [32] En 1993, el astrónomo James Kasting introdujo el término "zona habitable circunestelar" para referirse más precisamente a la región entonces (y todavía) conocida como zona habitable. [28] Kasting fue el primero en presentar un modelo detallado de la zona habitable de los exoplanetas. [3] [33]

Una actualización del concepto de zona habitable se produjo en 2000 cuando los astrónomos Peter Ward y Donald Brownlee introdujeron la idea de " zona habitable galáctica ", que luego desarrollaron con Guillermo González . [34] [35] 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 se enriquezcan con elementos más pesados , pero no tan cerca de esa estrella. Los sistemas, las órbitas planetarias y el surgimiento de la vida se verían frecuentemente perturbados por la intensa radiación y las enormes fuerzas gravitacionales que se encuentran comúnmente en los centros galácticos. [34]

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 sustentaría hipotéticas formas de vida 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 "borde habitable", para abarcar la región alrededor de un planeta donde las órbitas de los satélites naturales no se verían perturbadas. , y al mismo tiempo el calentamiento de las mareas del planeta no provocaría la evaporación del agua líquida. [36]

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. [37] [38] Sin embargo, las condiciones de la superficie dependen de una serie de propiedades individuales diferentes de ese planeta. [37] [38] Este malentendido se refleja en informes entusiasmados sobre "planetas habitables". [39] [40] [41] Dado que se desconoce por completo si las condiciones en estos mundos distantes de HZ podrían albergar vida, se necesita una terminología diferente. [38] [40] [42] [43]

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 sobre la extensión del HZ del Sol. El HZ conservador [2] está indicado por una banda verde oscuro que cruza el borde interior del afelio de Venus , mientras que un HZ extendido, [44] que se extiende hasta la órbita del planeta enano Ceres , está indicado por una banda verde claro. .

Que un cuerpo se encuentre en la zona habitable circunestelar de su estrella anfitriona depende del radio de la órbita del planeta (para los satélites naturales, la órbita del planeta anfitrión), la masa del propio cuerpo y el flujo radiativo de la estrella anfitriona. Dada la gran dispersión de las masas de planetas dentro de una zona habitable circunestelar, junto con el descubrimiento de superplanetas terrestres que pueden sustentar atmósferas más espesas y campos magnéticos más fuertes que la Tierra, las zonas habitables circunestelares ahora se dividen en dos regiones separadas: una "zona conservadora". zona habitable" en la que los planetas de menor masa como la Tierra pueden seguir siendo habitables, complementada con 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. [45]

Estimaciones del sistema solar

Las estimaciones para la zona habitable dentro del Sistema Solar oscilan entre 0,38 y 10,0 unidades astronómicas , [46] [47] [48] [49] 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 según la mayoría de las estimaciones y, aunque la presión atmosférica en la superficie es suficiente para que haya agua líquida, un fuerte efecto invernadero eleva la temperatura de la superficie a 462 °C (864 °F), a la que el agua sólo puede existir como vapor. [50] Todas las órbitas de la Luna , [51] Marte , [52] y numerosos asteroides también se encuentran dentro de diversas estimaciones de la zona habitable. Sólo 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. [53] En la cuenca Hellas , por ejemplo, las presiones atmosféricas pueden alcanzar 1.115 Pa y temperaturas superiores a cero grados Celsius (aproximadamente el punto triple para el agua) durante 70 días en el año marciano. [53] A pesar de la evidencia indirecta en forma de flujos estacionales en las cálidas laderas marcianas , [54] [55] [56] [57] no se ha confirmado la presencia de agua líquida allí. Mientras que otros objetos orbitan parcialmente dentro de esta zona, incluidos los cometas, Ceres [58] es el único de masa planetaria. Una combinación de baja masa y la incapacidad de 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 fuertemente que hubo agua líquida en el pasado en la superficie de Venus, [59] Marte, [60] [61] [62] Vesta [63] y Ceres, [64] [65], lo que sugiere un fenómeno más común que pensado previamente. Dado que se cree que el agua líquida sostenible es esencial para sustentar la vida compleja, la mayoría de las estimaciones se infieren, por lo tanto, del efecto que tendría una órbita reposicionada sobre la habitabilidad de la Tierra o Venus, ya que su gravedad superficial permite retener suficiente atmósfera para varios miles de millones. años.

Según el concepto de zona habitable extendida, los objetos de masa planetaria con atmósferas capaces de inducir suficiente forzamiento radiativo podrían poseer agua líquida más lejos del Sol. Estos 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 súper Tierra ), que han conservado 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 dichas atmósferas, incluido el albedo inducido , el efecto anti-invernadero u otras posibles fuentes de calor.

Como referencia, la distancia promedio al Sol de algunos cuerpos importantes dentro de las diversas estimaciones de la zona habitable es: Mercurio, 0,39 AU; Venus, 0,72 UA; Tierra, 1,00 AU; Marte, 1,52 UA; Vesta, 2,36 UA; Ceres y Palas, 2,77 UA; Júpiter, 5,20 AU; Saturno, 9,58 AU. Según las estimaciones más conservadoras, sólo la Tierra se encuentra dentro de la zona; en las estimaciones más permisivas, incluso se podría incluir a Saturno en el perihelio o Mercurio en el afelio.

extrapolación extrasolar

Los astrónomos utilizan el flujo estelar y la ley del cuadrado inverso para extrapolar a otras estrellas los modelos de zonas habitables circunestelares creados para el Sistema Solar. Por ejemplo, según la estimación de la zona habitable de Kopparapu, aunque el Sistema Solar tiene una zona habitable circunestelar centrada en 1,34 AU del Sol, [4] una estrella con 0,25 veces la luminosidad del Sol tendría una zona habitable centrada en , o 0,5 , la distancia desde la estrella, correspondiente a una distancia de 0,67 AU. Sin embargo, varios factores que complican la situación, incluidas las características individuales de las propias estrellas, hacen que la extrapolación extrasolar del concepto HZ sea más compleja.

Tipos espectrales y características del sistema estelar.

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 se limita 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. [77] Si el Sistema Solar fuera un sistema binario, los límites exteriores de la zona habitable circunestelar resultante podrían extenderse hasta 2,4 AU. [78] [79]

En cuanto a los tipos espectrales, Zoltán Balog propone que las estrellas de tipo O no pueden formar planetas debido a la fotoevaporación provocada por sus fuertes emisiones ultravioleta . [80] Al estudiar las emisiones ultravioleta, Andrea Buccino descubrió que sólo el 40% de las estrellas estudiadas (incluido el Sol) tenían zonas habitables de agua líquida y ultravioleta superpuestas. [81] Las estrellas más pequeñas que el Sol, por otro lado, tienen distintos impedimentos para la habitabilidad. Por ejemplo, Michael Hart propuso que sólo 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 la enana roja, se ha sugerido que el vulcanismo causado por el calentamiento de las mareas podría causar un planeta "Venus de las mareas" con altas temperaturas y sin un entorno hospitalario para la vida. [82]

Otros sostienen que las zonas habitables circunestelares son más comunes y que, de hecho, es posible que exista agua en planetas que orbitan alrededor de 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 las mareas. [83] El profesor de astronomía Eric Agol sostiene que incluso las enanas blancas pueden mantener una zona habitable relativamente breve a través de la migración planetaria. [84] Al mismo tiempo, otros han escrito en apoyo similar de zonas habitables temporales y semiestables alrededor de las enanas marrones . [82] Además, puede existir una zona habitable en las partes exteriores de los sistemas estelares durante la fase previa a la secuencia principal de la evolución estelar, especialmente alrededor de las enanas M, que podría durar escalas de tiempo de miles de millones de años. [85]

Evolución estelar

Es posible que se requiera protección natural contra el clima espacial , como la magnetosfera representada en esta interpretación artística, para que los planetas mantengan agua superficial durante períodos prolongados.

Las zonas habitables circunestelares cambian con el tiempo con la evolución estelar. Por ejemplo, las estrellas calientes de tipo O, que pueden permanecer en la secuencia principal durante menos de 10 millones de años, [86] tendrían zonas habitables que cambian rápidamente y no son propicias para el desarrollo de la vida. Las estrellas enanas rojas, por otro lado, que pueden vivir cientos de miles de millones de años en la secuencia principal, tendrían planetas con tiempo suficiente para que la vida se desarrolle y evolucione. [87] [88] Sin embargo, incluso cuando las estrellas están en la secuencia principal, su producción de energía aumenta constantemente, empujando sus zonas habitables más lejos; nuestro Sol, por ejemplo, era un 75% más brillante en el Arcaico que ahora, [89] y en el futuro, los aumentos continuos en la producción de energía colocarán a la Tierra fuera de la zona habitable del Sol, incluso antes de que alcance la fase de gigante roja . [90] Para hacer frente a este aumento de luminosidad, se ha introducido el concepto de zona continuamente habitable . Como sugiere el nombre, la zona continuamente habitable es una región alrededor de una estrella en la que los cuerpos de masa planetaria pueden contener agua líquida durante un período determinado. Al igual que la zona habitable circunestelar general, la zona continuamente habitable de una estrella se divide en una región conservadora y extendida. [90]

En los sistemas de enanas rojas, gigantescas llamaradas estelares que podrían duplicar el brillo de una estrella en minutos [91] y enormes manchas estelares que pueden cubrir el 20% de la superficie de la estrella, [92] tienen el potencial de despojar a un planeta que de otro modo sería habitable de su atmósfera y agua. . [93] Sin embargo, al igual que ocurre con las estrellas más masivas, la evolución estelar cambia su naturaleza y flujo de energía, [94] 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. [93] [95]

Una vez que una estrella ha evolucionado lo suficiente como para convertirse en una gigante roja, su zona habitable circunestelar cambiará drásticamente con respecto al tamaño de su secuencia principal. [96] Por ejemplo, se espera que el Sol envuelva a la Tierra, anteriormente habitable, como una gigante roja. [97] [98] 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. [99] En tal etapa, Titán , la luna de Saturno , probablemente sería habitable en el sentido de la temperatura de la Tierra. [100] Dado que este nuevo equilibrio dura aproximadamente 1 Gyr , y debido a que la vida en la Tierra surgió a más tardar 0,7 Gyr a partir de la formación del Sistema Solar, la vida podría posiblemente desarrollarse en objetos de masa planetaria en la zona habitable de las gigantes rojas. [99] Sin embargo, alrededor de una estrella que quema helio, procesos de vida importantes como la fotosíntesis solo podrían ocurrir alrededor de planetas donde la atmósfera tiene dióxido de carbono, ya que cuando una estrella de masa solar se convierte en una gigante roja, los cuerpos de masa planetaria tendrían ya absorbió gran parte de su dióxido de carbono libre. [101] Además, como demostraron Ramírez y Kaltenegger (2016) [98] , los vientos estelares intensos eliminarían por completo las atmósferas de cuerpos planetarios tan pequeños, haciéndolos inhabitables de todos modos. Por lo tanto, Titán no sería habitable incluso después de que el Sol se convierta en una gigante roja. [98] Sin embargo, la vida no necesita originarse durante esta etapa de la evolución estelar para ser detectada. Una vez que la estrella se convierta en una gigante roja y la zona habitable se extienda hacia afuera, la superficie helada se derretiría, formando una atmósfera temporal en la que se pueden buscar signos de vida que puedan haber estado prosperando antes del inicio de la etapa de gigante roja. [98]

Planetas desérticos

Las condiciones atmosféricas de un planeta influyen en su capacidad para retener calor por lo 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 tanto, tienen 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 lejos. [102] [103]

Otras Consideraciones

La hidrosfera de la Tierra. El agua cubre el 71% de la superficie de la Tierra, y el océano global representa el 97,3% de la distribución de agua en la Tierra .

Un planeta no puede tener hidrosfera —un ingrediente clave para la formación de vida basada en el carbono— a menos que exista una fuente de agua dentro de su sistema estelar. El origen del agua en la Tierra aún no se comprende del todo; Las posibles fuentes incluyen el resultado de impactos con cuerpos helados, desgasificación , mineralización , fuga de minerales hidratados de la litosfera y fotólisis . [104] [105] Para un sistema extrasolar, un cuerpo helado más allá de la línea de escarcha podría migrar a la zona habitable de su estrella, creando un planeta oceánico con mares de cientos de kilómetros de profundidad [106] como GJ 1214 b [107] [108] o Kepler-22b pueden serlo. [109]

El mantenimiento del agua superficial líquida también requiere una atmósfera suficientemente espesa. Actualmente se teoriza que los posibles orígenes de las atmósferas terrestres son la desgasificación, la desgasificación por impacto y la ingasificación. [110] Se cree que las atmósferas se mantienen mediante procesos similares junto con ciclos biogeoquímicos y la mitigación del escape atmosférico . [111] 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. [73] Por debajo de una presión atmosférica de aproximadamente 15 milibares, se descubrió que no se podía mantener la habitabilidad [73] porque incluso un pequeño cambio en la presión o la temperatura podría hacer que el agua no pudiera formarse como líquido. [112]

Aunque las definiciones tradicionales de 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), [28] un estudio [48] 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. En ese caso, el borde exterior del Sistema Solar se extendería hasta 2,4 UA. Se calcularon aumentos similares en el tamaño de la zona habitable para otros sistemas estelares. Un estudio anterior realizado por Ray Pierrehumbert y Eric Gaidos [47] había eliminado por completo el concepto de CO 2 -H 2 O, argumentando que los planetas jóvenes podrían acumular entre decenas y 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 AU. En este caso, sin embargo, el vulcanismo no repone continuamente el hidrógeno y se pierde en millones o decenas de millones de años.

En el caso de los planetas que orbitan en los HZ de estrellas enanas rojas, las distancias extremadamente cercanas a las estrellas provocan el bloqueo de mareas , un factor importante en la habitabilidad. Para un planeta bloqueado por mareas, el día sidéreo es tan largo como el período orbital , lo que hace que un lado mire permanentemente a la estrella anfitriona y el otro lado mire hacia afuera. En el pasado, se pensaba que este bloqueo de mareas causaba un calor extremo en el lado que mira a la estrella y un frío intenso en el lado opuesto, lo que hacía que muchos planetas enanas rojas fueran inhabitables; sin embargo, los modelos climáticos tridimensionales de 2013 mostraron que el lado de un planeta enano rojo frente a la estrella anfitriona podría tener una extensa cobertura de nubes, aumentando su albedo de enlace y reduciendo significativamente las diferencias de temperatura entre los dos lados. [83]

Los satélites naturales de masa planetaria también tienen potencial para ser habitables. Sin embargo, estos cuerpos deben cumplir parámetros adicionales, en particular estar ubicados dentro de las zonas habitables circunplanetarias de sus planetas anfitriones. [36] Más específicamente, las lunas deben estar lo suficientemente lejos de sus planetas gigantes anfitriones como para que el calentamiento de las mareas no las transforme en mundos volcánicos como Io , [36] pero deben permanecer dentro del radio de Hill del planeta para que no sean arrastradas. fuera de la órbita de su planeta anfitrión. [113] 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 una luna habitable tan cerca de la estrella que sería despojada de ella. su planeta anfitrión. En tal sistema, una luna lo suficientemente cerca de su planeta anfitrión para mantener su órbita tendría un calentamiento por mareas tan intenso que eliminaría cualquier perspectiva de habitabilidad. [36]

Concepto artístico de un planeta en una órbita excéntrica que pasa por el HZ solo durante una parte de su órbita.

Un objeto planetario que orbita una estrella con alta excentricidad orbital puede pasar sólo parte de su año en el HZ y experimentar una gran variación en temperatura y presión atmosférica. Esto daría lugar a dramáticos cambios de fase estacionales en los que el agua líquida podría existir sólo de forma intermitente. Es posible que los hábitats subterráneos puedan estar aislados de tales cambios y que los extremófilos en la superficie o cerca de ella puedan sobrevivir a través de adaptaciones como la hibernación ( criptobiosis ) y/o la hipertermoestabilidad . Los tardígrados , por ejemplo, pueden sobrevivir en un estado deshidratado a temperaturas entre 0,150 K (-273 °C) [114] y 424 K (151 °C). [115] La vida en un objeto planetario que orbita fuera de HZ podría hibernar en el lado frío a medida que el planeta se acerca al apastrón , donde es más frío, y volverse activo al acercarse al periastrón cuando el planeta está lo suficientemente caliente. [116]

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. [117] Estos están a una distancia de 990, 490 y 1.120 años luz , 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 exoplaneta terrestre más cercano , Tau Ceti e está a 11,9 años luz de distancia. Se encuentra en el borde interior de la zona habitable de su sistema planetario, lo que le otorga una temperatura superficial promedio estimada de 68 °C (154 °F). [118]

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 puso η e , la fracción de estrellas con planetas en 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. [119] Sin embargo, esto es simplemente una predicción estadística; Sólo se ha descubierto todavía una pequeña fracción de estos posibles planetas. [120]

Los estudios anteriores han sido más conservadores. En 2011, Seth Borenstein concluyó que hay aproximadamente 500 millones de planetas habitables en la Vía Láctea. [121] El estudio del Jet Propulsion Laboratory de 2011 de la NASA , basado en observaciones de la misión Kepler , elevó un poco el número, estimando que se espera que alrededor del "1,4 al 2,7 por ciento" de todas las estrellas de clase espectral F , G y K tengan planetas en sus HZ. [122] [123]

Primeros hallazgos

Los primeros descubrimientos de planetas extrasolares en HZ se produjeron apenas unos años después de que se descubrieran los primeros planetas extrasolares. Sin embargo, todas estas detecciones tempranas fueron del tamaño de gigantes gaseosos y muchas de ellas se encontraban en órbitas excéntricas. A pesar de esto, los estudios indican la posibilidad de que grandes lunas similares a la Tierra alrededor de estos planetas contengan agua líquida. [124] Uno de los primeros descubrimientos fue 70 Virginis b , un gigante gaseoso inicialmente apodado "Ricitos de Oro" debido a que no era ni "demasiado caliente" ni "demasiado frío". Un estudio posterior reveló temperaturas análogas a las de Venus, descartando cualquier posibilidad de agua líquida. [125] 16 Cygni Bb , también descubierto en 1996, tiene una órbita extremadamente excéntrica que pasa sólo parte de su tiempo en el HZ, una órbita de este tipo causaría efectos estacionales extremos. A pesar de esto, las simulaciones han sugerido que un compañero suficientemente grande podría sustentar agua superficial durante todo el año. [126]

Gliese 876 b , descubierto en 1998, y Gliese 876 c , descubierto en 2001, son gigantes gaseosos descubiertos en la zona habitable alrededor de Gliese 876 que también pueden tener grandes lunas. [127] 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 [128] y tiene una excentricidad orbital baja, comparable a la de Marte en el Sistema Solar. [129] Las interacciones de marea sugieren que podría albergar satélites habitables de masa terrestre en órbita a su alrededor durante muchos miles de millones de años, [130] aunque no está claro si tales satélites podrían formarse en primer lugar. [131]

HD 69830 d , un gigante gaseoso con 17 veces la masa de la Tierra, fue encontrado en 2006 orbitando dentro de la zona habitable circunestelar de HD 69830 , a 41 años luz de la Tierra. [132] Al año siguiente, 55 Cancri f fue descubierto dentro del HZ de su estrella anfitriona 55 Cancri A. [133] [134] Se cree que los satélites hipotéticos con suficiente masa y composición pueden soportar agua líquida en sus superficies. [135]

Aunque, en teoría, estos planetas gigantes podrían poseer lunas, no existía la tecnología para detectar lunas a su alrededor y no se habían descubierto lunas extrasolares. Por lo tanto, los planetas dentro de la zona con potencial para tener 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 súper Tierra 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. [136] Gliese 581 d, otro planeta en el mismo sistema y que se cree que es un mejor candidato para la habitabilidad, también fue anunciado en 2007. Su existencia fue desconfirmada más tarde en 2014, pero solo por un corto tiempo. A partir de 2015, el planeta no tiene nuevas desconfirmaciones. Gliese 581 g , otro planeta que se cree que fue descubierto en la zona habitable circunestelar del sistema, fue considerado más habitable que Gliese 581 c y d. Sin embargo, su existencia también fue refutada en 2014, [137] y los astrónomos están divididos sobre su existencia.

Un diagrama que compara el tamaño (impresión artística) 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, [138] pero los nuevos criterios de zona habitable circunestelar ideados por Kopparapu et al. en 2013 situó al planeta fuera de la zona habitable circunestelar. [120]

Kepler-22 b , descubierto en diciembre de 2011 por la sonda espacial Kepler, [139] es el primer exoplaneta en tránsito descubierto alrededor de una estrella similar al Sol . Con un radio 2,4 veces mayor que el de la Tierra, algunos han predicho que Kepler-22b será un planeta oceánico. [140] Gliese 667 Cc , descubierta en 2011 pero anunciada en 2012, [141] es una súper Tierra que orbita en la zona habitable circunestelar de Gliese 667 C. Es uno de los planetas más parecidos a la Tierra que se conocen.

Gliese 163 c , descubierta en septiembre de 2012 en órbita alrededor de la enana roja Gliese 163 [142], se encuentra a 49 años luz de la Tierra. El planeta tiene 6,9 ​​masas terrestres y entre 1,8 y 2,4 radios terrestres, y con su órbita cercana recibe un 40 por ciento más de radiación estelar que la Tierra, lo que provoca temperaturas superficiales de unos 60 ° C . [143] [144] [145] HD 40307 g , un planeta candidato descubierto tentativamente en noviembre de 2012, se encuentra en la zona habitable circunestelar de HD 40307 . [146] En diciembre de 2012, Tau Ceti e y Tau Ceti f fueron encontrados en la zona habitable circunestelar de Tau Ceti , una estrella similar al Sol a 12 años luz de distancia. [147] Aunque son más masivos que la Tierra, se encuentran entre los planetas menos masivos encontrados hasta la fecha orbitando en la zona habitable; [148] sin embargo, Tau Ceti f, al igual que HD 85512 b, no cumplía con los nuevos criterios de zona habitable circunestelar establecidos por el estudio Kopparapu de 2013. [149] Ahora se considera inhabitable.

Planetas cercanos al tamaño 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)
Si bien es más grande que Kepler 186f, la órbita y la estrella de Kepler-452b son más similares a las de la Tierra.

Descubrimientos recientes han descubierto planetas que se cree que son similares en tamaño o masa a la Tierra. Los rangos "del tamaño de la Tierra" normalmente se definen por masa. El rango inferior utilizado en muchas definiciones de la clase súper Tierra es 1,9 masas terrestres; Asimismo, las subtierras 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 promedio de los planetas disminuye rápidamente al aumentar el radio, lo que indica que estos planetas tienen una fracción significativa de volátiles por volumen que recubren un núcleo rocoso. [150] Un planeta genuinamente parecido 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. Hasta la fecha no se ha encontrado ningún gemelo solar que coincida exactamente con el Sol. Sin embargo, algunas estrellas son casi idénticas al Sol y se consideran gemelas solares. Una gemela solar exacta sería una estrella G2V con una temperatura de 5.778 K, una edad de 4.600 millones de años, una metalicidad correcta y una variación de luminosidad solar del 0,1%. [151] 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. [152] [153] [154]

Utilizando datos recopilados por el observatorio 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. [155]

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 alrededor de Kepler-69 , una estrella similar al Sol. en HZ y se espera que ofrezca condiciones habitables. [156] [157] [158] [159] El descubrimiento de dos planetas orbitando en la zona habitable de Kepler-62 , por parte del equipo Kepler, fue anunciado el 19 de abril de 2013. Los planetas, denominados Kepler-62e y Kepler-62f , son probablemente planetas sólidos con tamaños de 1,6 y 1,4 veces el radio de la Tierra, respectivamente. [158] [159] [160]

Con un radio estimado de 1,1 Tierra, Kepler-186f , descubrimiento anunciado en abril de 2014, es el tamaño más cercano a la Tierra de un exoplaneta confirmado por el método de tránsito [161] [162] [163] aunque su masa sigue siendo desconocida y su progenitor La estrella 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 encontraron orbitando la zona habitable de la estrella subenana roja Kapteyn , a 12,8 años luz de distancia. [164]

El 6 de enero de 2015, la NASA anunció el exoplaneta número 1.000 confirmado descubierto por el Telescopio Espacial Kepler. Se descubrió que tres de los exoplanetas recientemente confirmados orbitan dentro de zonas habitables de sus estrellas relacionadas : dos de los tres, Kepler-438b y Kepler-442b , son del tamaño cercano a la Tierra y probablemente rocosos ; el tercero, Kepler-440b , es una súper Tierra . [165] Sin embargo, se descubre que Kepler-438b es objeto de poderosas llamaradas, por lo que ahora se considera inhabitable. El 16 de enero, K2-3d fue encontrado un planeta de 1,5 radios terrestres orbitando dentro de la zona habitable de K2-3 , recibiendo 1,4 veces la intensidad de la luz visible que la Tierra. [166]

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 . [167] [168]

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 . [169] El descubrimiento se considera significativo porque aumenta drásticamente la posibilidad de que existan planetas más pequeños, más fríos, estrellas más numerosas y cercanas que poseen planetas habitables.

Dos planetas potencialmente habitables, descubiertos por la misión K2 en julio de 2016, orbitando alrededor de la enana M K2-72 a unos 227 años luz del Sol: K2-72c y K2-72e son ambos de tamaño similar a la Tierra y reciben cantidades similares de radiación estelar. . [170]

Anunciada el 20 de abril de 2017, LHS 1140b es una súper Tierra súper densa 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 una actividad de llamaradas estelares mucho menos observable que la mayoría. M enanos. [171] El planeta es uno de los pocos observables tanto por tránsito como por velocidad radial cuya masa se confirma con una atmósfera que puede estudiarse.

Descubierta 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. [172]

A 11 años luz de distancia, el segundo planeta más cercano, Ross 128 b , fue anunciado en noviembre de 2017 después de una década de estudio de velocidad radial de la estrella enana roja relativamente "tranquila" Ross 128. Con 1,35 veces la masa de la Tierra, ¿tiene aproximadamente el tamaño de la Tierra? y probablemente de composición rocosa. [173]

Descubierto en marzo de 2018, K2-155d tiene aproximadamente 1,64 veces el radio de la Tierra, probablemente sea rocoso y orbita en la zona habitable de su estrella enana roja a 203 años luz de distancia. [174] [175] [176]

Uno de los primeros descubrimientos realizados por el satélite de estudio 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. [177]

K2-18b es un exoplaneta a 124 años luz de distancia, que orbita en la zona habitable de la K2-18 , una enana roja. Este planeta es importante por el vapor de agua que se encuentra en su atmósfera; esto fue anunciado el 17 de septiembre de 2019.

En septiembre de 2020, los astrónomos identificaron 24 candidatos a planeta superhabitable (planetas mejores que la Tierra), entre más de 4.000 exoplanetas confirmados en la actualidad, basándose en parámetros astrofísicos , así como en la historia natural de las formas de vida conocidas en la Tierra . [178]

Habitabilidad fuera de la HZ

El descubrimiento de lagos de hidrocarburos en Titán, la luna de Saturno, ha comenzado a cuestionar el chauvinismo del carbono que sustenta el concepto de HZ.

Se ha descubierto que existen entornos de agua líquida en ausencia de presión atmosférica y a temperaturas fuera del rango de temperatura HZ. Por ejemplo, las lunas de Saturno , Titán y Encelado, 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 . [179]

Fuera de 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]

Con algunas teorías de que la vida en la Tierra en realidad puede haberse originado en hábitats subterráneos estables, [180] [181] se ha sugerido que puede ser común que hábitats extraterrestres subterráneos húmedos como estos estén "repletos de vida". [182] En la Tierra misma, se pueden encontrar organismos vivos a más de 6 km (3,7 millas) debajo de la superficie. [183]

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 AU) 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 encontrado que algunos son capaces de sobrevivir en condiciones fuera de HZ. [184]

Importancia para la vida compleja e inteligente

La hipótesis de las Tierras Raras sostiene que la vida compleja e inteligente es poco común y que el HZ es uno de muchos factores críticos. Según Ward y Brownlee (2004) y otros, una órbita HZ y agua superficial no sólo son un requisito primario para sustentar la vida, sino también un requisito para sustentar las condiciones secundarias necesarias para que la vida multicelular surja y evolucione. Los factores secundarios de habitabilidad son tanto geológicos (el papel del agua superficial en el mantenimiento de las placas tectónicas necesarias) [34] como bioquímicos (el papel de la energía radiante en el apoyo a la fotosíntesis para la necesaria oxigenación atmosférica). [185] Pero otros, como Ian Stewart y Jack Cohen en su libro de 2002 Evolving the Alien sostienen que la vida inteligente compleja puede surgir fuera del HZ. [186] La vida inteligente fuera de HZ puede haber evolucionado en ambientes subterráneos, a partir de bioquímicas alternativas [186] o incluso de reacciones nucleares. [187]

En la Tierra, se han identificado varias formas de vida multicelulares complejas (o eucariotas ) con potencial para sobrevivir en condiciones que podrían existir fuera de la zona habitable conservadora. La energía geotérmica sustenta antiguos ecosistemas vulnerados, sustentando grandes y complejas formas de vida como Riftia pachyptila . [188] Se pueden encontrar ambientes similares en océanos presurizados debajo de cortezas sólidas, como las de Europa y Encelado, fuera de la zona habitable. [189] Se han probado numerosos microorganismos en condiciones simuladas y en órbita terrestre baja, incluidos eucariotas. Un ejemplo animal es el Milnesium tardigradum , que puede soportar temperaturas extremas muy por encima del punto de ebullición del agua y el frío vacío del espacio exterior. [190] Además, se ha descubierto que los líquenes Rhizocarpon Geographicum y Xanthoria elegans sobreviven en un ambiente donde la presión atmosférica es demasiado baja para el agua líquida superficial y donde la energía radiante también es mucho menor que la que la mayoría de las plantas necesitan para realizar la fotosíntesis. . [191] [192] [193] Los hongos Cryomyces antarcticus y Cryomyces minteri también pueden sobrevivir y reproducirse en condiciones similares a las de Marte. [193]

Las especies, incluidos los humanos , que se sabe que poseen cognición animal requieren grandes cantidades de energía [194] y se han adaptado a condiciones específicas, incluida la 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 más probable que los verdaderos análogos de la Tierra en el HZ proporcionen el hábitat natural más cercano; este concepto fue la base del estudio de Stephen H. Dole de 1964. Con temperatura, gravedad, presión atmosférica y presencia de agua adecuadas, se puede eliminar la necesidad de trajes espaciales o análogos de hábitat espacial en la superficie, y la vida compleja en la Tierra puede prosperar. [2]

Los planetas en el HZ siguen siendo de sumo interés para los investigadores que buscan vida inteligente en otras partes del universo. [195] 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 del 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. [34] Un informe de la NASA de 1971 realizado por 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 buena y obvia banda para la comunicación con inteligencia extraterrestre [196] [197 ] que desde entonces ha sido ampliamente adoptado por los astrónomos involucrados en la búsqueda de inteligencia extraterrestre. Según Jill Tarter , Margaret Turnbull y muchos otros, los candidatos de HZ son los objetivos prioritarios para las búsquedas de pozos de agua limitados [198] [199] y el Allen Telescope Array ahora extiende el Proyecto Phoenix a dichos candidatos. [200]

Debido a que el HZ se considera 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 la Llamada Cósmica 2 de 2003 , por ejemplo, fueron enviados al sistema 47 Ursae Majoris , conocido por contener tres planetas con masa de Júpiter y posiblemente con un planeta terrestre en el HZ. [201] [202] [203] [204] El mensaje de la edad adolescente también se dirigió al sistema 55 Cancri, que tiene un gigante gaseoso en su HZ. [133] Un mensaje desde la Tierra en 2008, [205] y Hola desde la Tierra en 2009, fueron dirigidos al sistema Gliese 581, que contiene tres planetas en el HZ: Gliese 581 c, d y el no confirmado g.

Ver también

Referencias

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