Si los astrónomos ven isopreno en la atmósfera de un mundo alienígena, hay una buena probabilidad de que haya vida allí


Una disposición de tres exoplanetas para explorar cómo las atmósferas pueden verse diferentes en función de la química presente y el flujo entrante. Crédito: Jack H. Madden

No es exagerado decir que el estudio de planetas extrasolares ha explotado en las últimas décadas. Hasta la fecha, se han confirmado 4.375 exoplanetas en 3.247 sistemas, y otros 5.856 candidatos están a la espera de confirmación. En los últimos años, los estudios de exoplanetas han comenzado a pasar del proceso de descubrimiento a uno de caracterización. Se espera que este proceso se acelere una vez que los telescopios de próxima generación entren en funcionamiento.

Como resultado, los astrobiólogos están trabajando para crear listas completas de potenciales "biofirmas", que se refieren a compuestos químicos y procesos asociados con la vida (oxígeno, dióxido de carbono, agua, etc.) Pero según una nueva investigación de un equipo del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), otra biofirma potencial que deberíamos estar al acecho es un hidrocarburo llamado isopreno (C5H8).

El estudio que describe sus hallazgos, "Evaluación del isopreno como un posible gas biofirma en exoplanetas con atmósferas anóxicas", apareció recientemente en línea y ha sido aceptado para su publicación por la revista Astrobiology. En aras de su estudio, el equipo del MIT examinó la creciente lista de posibles biofirmas que los astrónomos estarán atentos en los próximos años.

Hasta la fecha, la gran mayoría de los exoplanetas han sido detectados y confirmados utilizando métodos indirectos. En su mayor parte, los astrónomos se han basado en el método de tránsito (fotometría de tránsito) y el método de velocidad radial (espectroscopia Doppler), solos o en combinación. Sólo unos pocos han sido detectables utilizando imágenes directas, lo que hace que sea muy difícil caracterizar las atmósferas y superficies de exoplanetas.

Sólo en raras ocasiones los astrónomos han sido capaces de obtener espectros que les permitieron determinar la composición química de la atmósfera de ese planeta. Esto fue el resultado de la luz que pasaba a través de la atmósfera de un exoplaneta mientras transitaba frente a su estrella o en los pocos casos en que se producía una imagen directa y se podía estudiar la luz reflejada en la atmósfera del exoplaneta.
La impresión del artista muestra el planeta Próxima b orbitando la estrella enana roja Próxima Centauri, la estrella más cercana al sistema solar. Crédito: ESO/M. Kornmesser

Gran parte de esto ha tenido que ver con los límites de nuestros telescopios actuales, que no tienen la resolución necesaria para observar planetas más pequeños y rocosos que orbitan más cerca de su estrella. Astrónomos y astrobiólogos creen que son estos planetas los más propensos a ser potencialmente habitables, pero cualquier luz reflejada desde sus superficies y atmósferas es dominada por la luz proveniente de sus estrellas.

Sin embargo, eso cambiará tan pronto como los instrumentos de próxima generación como el Telescopio Espacial James Webb (JWST) se lleve al espacio. Sara Seager, profesora de Física y Ciencias Planetarias en el MIT en 1941, dirige el grupo de investigación responsable (también conocido como El Grupo Seager) y fue coautora del artículo. Como le dijo a Universe Today por correo electrónico:

"Con el próximo lanzamiento en octubre de 2021 del Telescopio Espacial James Webb tendremos nuestra primera capacidad de buscar gases de biofirma, pero será difícil porque las señales atmosféricas de un pequeño planeta rocoso son tan débiles para empezar. Con el JWST en el horizonte, el número de personas que trabajan en el campo ha crecido enormemente. Estudios como este que vienen con nuevos gases potenciales de biofirma, y otros trabajos que muestran posibles falsos positivos incluso para gases como el oxígeno."

Una vez desplegado y operativo, el JWST será capaz de observar nuestro universo a longitudes de onda más largas (en el rango infrarrojo cercano y medio) y con una sensibilidad muy mejorada. El telescopio también se basará en una serie de espectrógrafos para obtener datos de composición, así como coronagrafías para bloquear la luz oscureceante de las estrellas madre. Esta tecnología permitirá a los astrónomos caracterizar las atmósferas de los planetas rocosos más pequeños.

A su vez, estos datos permitirán a los científicos imponer restricciones mucho más estrictas a la habitabilidad de un exoplaneta e incluso podrían conducir a la detección de biofirmas conocidas (y/o potenciales). Como se ha señalado, estas "biofirmas" incluyen las indicaciones químicas asociadas con la vida y el proceso biológico, por no hablar de los tipos de condiciones que le son favorables.
Imagen tomada por un miembro de la tripulación de la Expedición 13 de la ISS, que muestra la erupción del volcán Cleveland, islas Aleutianas, Alaska. Crédito: NASA

Estos incluyen gas de oxígeno (O2), que es esencial para la mayoría de las formas de vida en la Tierra y es producida por organismos fotosintéticos (plantas, árboles, cianobacterias, etc.). Estos mismos organismos metabolizan el dióxido de carbono (CO2), que la vida metabolizadora de oxígeno emite como un producto de desecho. También hay agua (H2O), que es esencial para toda la vida tal como la conocemos, y el metano (CH4), que se emite por la materia orgánica en descomposición.

Dado que se cree que la actividad volcánica juega un papel importante en la habitabilidad planetaria, los subproductos químicos asociados con el volcanismo— sulfuro de hidrógeno (H2S), dióxido de azufre (SO2), monóxido de carbono (CO), gas hidrógeno (H2), etc.– también se consideran biofirmas. A esta lista, Zhan, Seager y sus colegas deseaban añadir otra posible biofirma: el isopreno. Como Zhan explicó a Universe Today por correo electrónico:

"Nuestro grupo de investigación en el MIT se centra en el uso de un enfoque holístico para explorar todos los gases posibles como gas potencial de biofirma. Nuestro trabajo previo condujo a la creación de la base de datos de moléculas pequeñas. Procedemos a filtrar la base de datos ASM para identificar a los candidatos de gas biofirma más plausibles, uno de los cuales es isopreno, utilizando enfoques de aprendizaje automático y basados en datos."

Al igual que su primo metano, el isopreno es una molécula orgánica de hidrocarburo que es producida como metabolito secundario por varias especies aquí en la Tierra. Además de los árboles caducifolios, el isopreno también es producido por una amplia gama de organismos evolutivos distantes, como bacterias, plantas y animales. Como explicó Seager, esto lo hace prometedor como una posible biofirma:

"El isopreno es prometedor porque es producido en vastas cualidades por la vida en la Tierra, ¡tanto como la producción de metano! Además, una gran variedad de formas de vida (desde bacterias hasta plantas y animales), aquellas que son evolutivas distantes entre sí, producen isopreno, lo que sugiere que podría ser algún tipo de elemento clave que la vida en otros lugares también podría hacer".


Mientras que el isopreno es tan abundante como el metano aquí en la Tierra, el isopreno es destruido por la interacción con el oxígeno y los radicales que contienen oxígeno. Por esta razón, Zhang, Seager y su equipo optaron por centrarse en atmósferas anóxicas. Estos son entornos que se componen predominantemente de H2co2, y gas nitrógeno (N2), que es similar a lo que se componía la atmósfera primordial de la Tierra.

Según sus hallazgos, un planeta primordial (donde la vida está empezando a emerger) tendría abundante isopreno en su atmósfera. Este habría sido el caso en la Tierra hace entre 4.000 y 2.500 millones de años, cuando los organismos unicelulares eran la única vida y las cianobacterias fotosintéticas estaban convirtiendo lentamente la atmósfera de la Tierra en una rica en oxígeno.

Hace 2.500 millones de años, esto culminó con el "Gran Evento de Oxigenación" (GOE), que resultó tóxico para muchos organismos (y metabolitos como el isopreno). Fue también durante este tiempo que comenzaron a surgir formas de vida complejas (eucariotas y organismos multicelulares). En este sentido, el isopreno podría utilizarse para caracterizar planetas que se encuentran en medio de un cambio evolutivo importante y sentar las bases para futuras filasias animales.

Pero como zhang señaló, burlarse de esta biofirma potencial será un desafío, incluso para el JWST:

"Las advertencias con el isopreno como biomarcador son que: (1) 10x-100x la tasa de producción de isopreno de la Tierra es necesaria para su detección; (2) La detección de la característica espectral isopreno de infrarrojo cercano puede verse obstaculizada por la presencia de metano u otros hidrocarburos. La detección única de isopreno será un desafío con JWST, ya que muchas moléculas de hidrocarburos comparten características de espectros similares en longitudes de onda infrarrojas cercanas. Pero los futuros telescopios que se centren en la longitud de onda de mitad de IR serán capaces de detectar características espectrales de isopreno de forma única".
Tamaños relativos de los planetas de la zona habitable kepler descubiertos a partir de 2013 18 de abril. De izquierda a derecha: Kepler-22b, Kepler-69c, Kepler-62e, Kepler-62f y Earth (excepto la Tierra, estas son las versiones de los artistas). Crédito: NASA/Ames/JPL-Caltech

Más allá del JWST, el Telescopio Espacial Romano Nancy Grace (sucesor de la misión Hubble) también llegará al espacio en 2025. Este observatorio tendrá la potencia de 100 Hubbles y sus filtros infrarrojos recientemente actualizados le permitirán caracterizar exoplanetas por sí solo y a través de colaboraciones con el JWST y otros "grandes observatorios".

También hay varios telescopios terrestres que se están construyendo actualmente aquí en la Tierra que se basarán en espectrómetros sofisticados, coronógrafos y óptica adaptativa (OA). Estos incluyen el Telescopio Extremadamente Grande (ELT), el Telescopio De Magallanes Gigante (GMT), el Telescopio de Treinta Metros (TMT) Estos telescopios también podrán llevar a cabo estudios de imágenes directas de exoplanetas, y se espera que los resultados sean innovadores.

Entre instrumentos mejorados, análisis y técnicas de datos que mejoran rápidamente y mejoras en nuestra metodología, sólo se espera que el estudio de los exoplanetas se acelere aún más. Además de tener decenas de miles más disponibles para el estudio (muchos de los cuales serán rocosos y "similares a la Tierra"), las opiniones sin precedentes que tendremos de ellos nos permitirá ver cuántos mundos habitables hay ahí fuera.

Queda por ver si esto resultará o no en el descubrimiento de la vida extraterrestre dentro de nuestras vidas. Pero una cosa está clara. En los próximos años, cuando los astrónomos comiencen a peinar todos los nuevos datos que tendrán sobre las atmósferas de exoplanetas, tendrán una lista completa de biofirmas para guiarlas.

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