Origen de la dicotomía entre mundos océano y planetas secos

Nuestra Tierra tiene sólo un 30% de su superficie que son continentes (tierra) y un 70% de océanos por lo que para algunos habría que cambiarle el nombre. Sin embargo, a pesar de las apariencias, nuestro planeta es un mundo con un contenido pobre en agua. Comparémoslo con Encélado y Europa dos satélites de Júpiter y Saturno respectivamente. La Tierra tiene un volumen 16.540 veces Encélado y 67,4 veces Europa. Sin embargo sus contenidos en agua son sólo 31,8 y 0,5 respectivamente. A la proporción la Tierra tiene 520 y 135 menos agua que estos dos satélites. Sólo el 0,13% en volumen de la Tierra es agua frente al 67,6% de Encélado y el 17,5% para Europa. Si la Tierra tuviese el mismo porcentaje de agua que Encélado y Europa en vez de una capa uniforme de agua de 2,74 km. sus océanos tendrían un espesor de 1.435 km. y 372,5 km. respectivamente. Realmente auténticos mundos océano como alguno de los planetas extrasolares descubiertos.

Se puede decir que la Tierra y mucho más los otros planetas internos del Sistema Solar como Marte, Venus y Mercurio son mundos pobres en agua o secos.

El prototipo de planeta océano es GJ 1214 b descubierto en 2009 mediante el método del tránsito. Orbita cada 38 horas una pequeña estrella enana roja situada a 42 años luz del Sistema Solar. El planeta tiene una masa 6,4614 Mt con 2,6665 Rt y una densidad de 1,878 gr/cm³ sugiriendo que en la composición está rodeado de una densa atmósfera. Las observaciones son coherentes con una atmósfera compuesta en más del 50% por vapor de agua. Una Tierra hipotética del tamaño de nuestro planeta, formado por una Tierra de composición idéntica a nuestro planeta y radio 4.935 Km y una envoltura de agua de 1.435 Km. tendría una masa de 0,5603 Mt y una densidad media de 3,08 gr/cc. Es decir no llegaría a ser una planeta océano como GJ 1214 b. Para que esa Tierra hipotética tuviese la densidad de GJ 1214 b el planeta tendría una masa 0,3412Mt y una profundidad oceánica de 2.675 km. El cálculo es rudimentario y no tiene presente la compresión del material. Una Tierra de 4.935 Km. de radio y la misma composición tiene una densidad media inferior a 5,5 gr/cc y rodeada de un océano de agua de tal profundidad la densidad de ésta es mayor que 1. Es decir los dos hechos se compensan parcialmente. No se ha considerado la existencia de atmósfera. Quizá no todo el radio medido de GJ 1214 b sea planeta e incluya algo de atmósfera lo que aumentaría la densidad media de GJ 12 14 b.

1.- Componentes del núcleo: Isótopos

Un átomo está formado por un pequeño núcleo cargado positivamente, que contiene protones y neutrones (llamados colectivamente nucleones o bariones) rodeados por una multitud de electrones cargados negativamente. La carga del electrón y del protón es la misma pero de signo contrario y es la mínima unidad de carga libre de la naturaleza. El protón y el neutrón tienen aproximadamente la misma masa, mientras que la masa del electrón es 1836 veces menor que la del protón. Así que en un átomo el núcleo es con mucho el responsable de la masa. Todos los núcleos de un elemento dado tienen el mismo número de protones. El hidrógeno, el elemento más liviano, tiene 1; el helio, 2; el carbono tiene 6 y el hierro tiene 26. Los isótopos son átomos que tienen el mismo número de protones y por tanto, representan el mismo elemento químico pero con diferente número de neutrones. Se llaman así porque en la tabla periódica ocupan el mismo lugar. El hidrógeno, por ejemplo, tiene tres isótopos: el hidrógeno normal con un sólo protón; el deuterio, con un protón y un neutrón; y el tritio, con un protón y dos neutrones. El carbono con 6 protones, tiene isótopos con 6, 7 u 8 neutrones en el núcleo. El oxígeno con ocho protones, tiene tres isótopos con ocho nueve o diez neutrones. Los isótopos se designan generalmente por el símbolo del elemento y el número de masa atómica, que no es más que la suma de los números de protones y neutrones. Por ejemplo C-12, C-14, O-16, O-17, O-18 Al-26 y Al 27. 

La química depende de la estructura de la corteza electrónica del átomo. Los isótopos tienen la misma estructura electrónica. Se dice con bastante frecuencia que las propiedades químicas de los isótopos de un elemento son idénticas aunque esta afirmación es una aproximación. Por eso los isótopos son tan difíciles de separar y se hace con centrifugadoras para aprovechar su diferencia de masa. La proporción O-17 a O-16 y O-18 a O-16 por depender siempre la separación química de los isótopos de la masa atómica, sigue una norma sencilla. Si la relación de O-17 a O-16 aumenta ligeramente como consecuencia de un proceso químico, la relación de O-18 a O-16 debe aumentar el doble de esa cantidad ya que la diferencia de masa es el doble. La diferencia química de los isótopos se debe pues a su masa y la ligera influencia que tiene sobre la velocidad de reacción o el equilibrio químico. Por ejemplo la velocidad a la que se incorporan los isótopos más pesados del oxígeno a los sedimentos es sensible a la temperatura. Esto permite calcular la temperatura de los antiguos océanos.

Las abundancias relativas de isótopos se mantienen constantes con gran aproximación. El oxígeno terrestre es 99,756 por cien de O-16, 0,039 por cien de O-17 y 0,205 por cien de O-18. La abundancia de isótopos (composición isotópica) en cada planeta es distinta y constituye una huella dactilar de éstos. En la atmósfera las moléculas pesadas del vapor de agua del planeta tienen más dificultad para escaparse por eso hay un enriquecimiento de las moléculas más pesadas respecto a las más ligeras que altera la composición isotópica, pero que dan idea de las pérdidas de agua producida en el planeta. Este es uno de los procesos que la naturaleza utiliza para separar isótopos y que cada planeta tenga una relación isotópica distinta. 

Se podría pensar que como los protones tienen la misma carga y por tanto se repelen no pueden estar juntos en el núcleo que es muy pequeño. Pero protones y neutrones están unidos gracias a la fuerza nuclear llamada fuerza fuerte que a esas distancias supera con creces la repulsión eléctrica. La energía de la unión hace que la masa de un átomo sea ligeramente menor que la suma de las masas de los nucleones y los electrones por separado. El Universo empezó con los protones y neutrones libres deambulando a gran velocidad y cuando la temperatura bajó, ambos se fusionaron formando núcleos. Sin embargo al principio sólo podía haber choques dobles y la formación no llegó más allá del helio. Fue dentro de las estrellas o en la explosión de supernovas donde se formaron los primeros 92 elementos, compuestos por varios centenares de isótopos distintos, que han sido observados en la naturaleza. Es decir, los elementos que son absolutamente estables. Los núcleos que son radiactivos se transforman espontáneamente en otros núcleos estables expulsando partículas. Existe un proceso común de desintegración, llamado desintegración 𝛃-, en el que un neutrón expulsa un electrón, transformándose con ello en un protón. Con ello se trasforma en otro elemento de un número atómico una unidad mayor pero de la misma masa. Por ejemplo los núcleos de tritio (un protón, dos neutrones) se transforman espontáneamente en núcleos de helio (dos protones, un neutrón). Los núcleos más inestables se desintegran en pequeñas fracciones de segundo, desapareciendo casi instantáneamente. Otros, como el carbono-14, tienen tiempos de vida de varios miles de años. El Al-26 es inestable y se descompone en Mg-26 con un periodo de 717.000 años. Y algunos, como el uranio-238 (92 protones y 146 neutrones), pueden durar miles de millones de años. Por regla general, los isótopos estables de los elementos más livianos, tienen igual número de protones y neutrones y entre los elementos más masivos, como el uranio, los neutrones sobrepasan a los protones en un 50%. Los núcleos con muy pocos o con demasiados neutrones son radiactivos y se desintegran espontáneamente en otros elementos. En el laboratorio es posible producir isótopos de vida corta, pero los elementos que vemos en la naturaleza son los que han sobrevivido desde la época de su formación hasta el presente. De éstos, sólo unos pocos son radiactivos y tienen vidas de miles de millones de años. La conclusión que podemos extraer de todo esto es que los elementos se formaron miles de millones de años atrás. Hay, no obstante, algunas excepciones. El C-14 puede ser encontrado en el aire que respiramos, aunque se desintegra en unos 6.000 años. Se produce cuando los rayos cósmicos del espacio bombardean los núcleos de la atmósfera superior de la Tierra. Este hecho permite la datación radioactiva.

Aunque las relaciones isotópicas no quedan muy alteradas por los procesos químicos se puede esperar que las relaciones isotópicas originales (o anómalas con las observadas en la Tierra) sólo existan en cuerpos que han sufrido desde el origen pocas modificaciones. Es decir, para encontrar relaciones isotópicas originales de la nube primordial hay que recurrir a rocas que no han sufrido como en los planetas transformaciones físicas o químicas que las hayan alterado. Las mejores fuentes de materia del Sistema Solar primitivo son los cometas y los meteoritos. De los dos el más accesible son los meteoritos. Entre los meteoritos las condritas carbonáceas son los más primitivos.

2. El origen del Sistema Solar

Las estrellas se forman a partir del gas y el polvo interestelares. Todavía no hemos descubierto una estrella que no contenga ningún elemento pesado. Las explosiones de supernova esparcen elementos pesados enriqueciendo el gas del que se formarán otras estrellas. 

En las regiones de una galaxia en las que la formación y la muerte de estrellas son más frecuentes, se espera encontrar estrellas ricas en metales. Estos metales son básicamente los que forman la Tierra que no tiene ni hidrógeno ni helio. Como diría Carl Sagan: Somos polvo de estrellas. Las explosiones estelares llamadas supernovas son sucesos raros: entre los cien mil millones de estrellas de nuestra galaxia se producen probablemente tres supernovas por siglo, aunque la mayoría de las supernovas están tan lejos que el polvo interestelar las hace invisibles.

Las estrellas se forman por la concentración de las nubes de gas interestelar que lentamente disminuyen de tamaño por la acción de su autogravedad. Un factor desencadenante posible podría ser la explosión de una supernova cercana. La onda de choque generada en una explosión de una supernova podría recoger y comprimir el gas, acelerando así la contracción de la nube y favoreciendo la formación de estrellas.

El Sol parece que se formó en un enjambre formado por un mínimo de 1.500 y un máximo de 3.500 estrellas, que luego se dispersaron por la galaxia de la Vía Láctea.

Los elementos más pesados en las nubes de polvo y gas que se reunieron para formar el Sol y los planetas fueron expulsados por supernovas a lo largo de un periodo de varios miles de millones de años. Los elementos más ligeros en las nubes, es decir, hidrógeno y helio, preexistían en su mayor parte. El contenido de la materia expulsada difería probablemente de una supernova a otra, pero en el tiempo en que el Sistema Solar comenzó́ a formarse, los restos de las distintas supernovas se habían entremezclado formando nubes de composición homogénea.

El descubrimiento de concentraciones anómalas de ciertos isótopos en meteoritos indica que una supernova puede haber presidido el nacimiento del Sistema Solar. Parece que una enorme estrella explotó a distancias de sólo 0,07 años luz en la época en que el Sistema Solar se condensó y pudo provocar el colapso. Si otras nebulosas muy anteriores también estallaron su contenido de materia expulsada se habían entremezclado formando nubes de composición homogénea.

3. Los meteoritos

Los indicios provienen de la medida de la abundancia de varios isótopos de ciertos elementos hallados en los meteoritos y en particular en el de Allende. Hace ahora 50 años, el 8 de febrero de 1969, a menos de medio año de que el hombre pusiese pie en la Luna y cuando los laboratorios esperaban ansiosos las muestras para su análisis, una bola de fuego atravesó el cielo de Chihuahua, al norte de México. Se cree que la roca original debió haber tenido el tamaño de un automóvil viajando a través del espacio con rumbo a la Tierra a poco más de 15 kilómetros por segundo. Casi dos toneladas de sustancia primordial, remanente de la formación del Sistema Solar se esparcieron sobre una zona de 50 km. de largo y varios km. de ancho. Eran fragmentos de un meteorito que se había roto en pleno vuelo en tamaños de pelotas de golf. Antes de la caída del Allende los meteoritos de este tipo eran raros. La datación del meteorito permitió saber que su edad era de 30 millones de años más que la Tierra.

Se descubrió́ un isótopo extraño como el Al-26 de vida media muy corta, así como los elementos de su descomposición Mg-26 parece indicar que proceden de una estrella supernova que explotó casi al mismo tiempo que se formó el Sistema Solar. Esta relación no es casual pues probablemente fue su onda de choque la que provocó el colapso de la nube protoplanetaria. La materia que expulsó no tuvo tiempo de mezclarse con la nube. El Al-26 radiactivo es tan inestable que la única explicación a su presencia en el Sistema Solar es que haya sido sembrado en la nube protosolar justo al principio de su evolución . El Al-26 sólo se genera en supernovas.

El Al-26 se descompone en Mg-26 en una reacción radioactiva de vida media 717.000 años. Cada vida media el Al-26 restante es la mitad. Ello explica que actualmente en el meteorito no quede Al-26. La reacción es una desintegración 𝛃+ en la que un protón del núcleo se convierte en un neutrón expulsando un positrón (antielectrón e+) y un neutrino electrónico. Entonces el elemento tiene un protón menos transformándose en Mg y sin cambiar la masa atómica. En cada transformación se consiguen 4 MeV de energía. Esto tendrá luego una importancia capital.

Aparte del Mg-26 también se encuentra en el meteorito de Allende la anomalía del O-16.

Las anomalías referentes a isótopos se pueden explicar admitiendo que se inyectara en el Sistema Solar materia procedente de una supernova que no se pudo mezclar completamente con la procedente de supernovas anteriores.

El aluminio tiene un solo isótopo estable el Al-27. Todo el aluminio de la Tierra esta formado lógicamente sólo por este isótopo. En el meteorito la cantidad de Mg-26 permite saber la cantidad inicial de Al-26. Pero el calculo no es tan sencillo. El magnesio puede proceder de otras fuentes. Este elemento tiene tres isótopos estables con abundancias Mg-24 (78,99%) Mg-25 (10%) y Mg-26 (11,01%). El magnesio 26 a considerar es el exceso sobre la abundancia normal. La cantidad observada era de un 11,5%. Quedaba por demostrar que este exceso procedía del Al-26 pues otras reacciones lo pueden producir. Pero, hay una relación lineal entre el contenido de Al/Mg en los minerales del material y el exceso en Mg-26. Si el Mg-26 tuviera otra procedencia esta relación no tendría sentido.

Esto permite calcular el Al-26 inicial: Había escasamente 1 átomo de Al-26 por cada 20.000 átomos de Al-27. También el tiempo entre que explotó la supernova y se formó el mineral: Habían transcurrido una pocas semividas (unos pocos millones de años). Si el Al-27 se hubiera descompuesto antes de incorporarse al mineral no se observaría la correlación entre el Al/Mg y el exceso de Mg-26.

Resumen:

El exceso de Mg-26, se produjo por la descomposición en el meteorito del Al-26 producido en una supernova que estalló cerca y pocos millones de años antes de que se formará el Sistema Solar

A finales de 2016 el equipo de Yong-Zhong Qian, de la Universidad de Minnesota en Estados Unidos, y Alexander Heger, de la Universidad Monash en Australia, decidió centrarse en unos núcleos atómicos radiactivos de corta vida, que sólo estuvieron presentes en nuestro Sistema Solar de manera natural durante la infancia de este. Las huellas encontradas en los meteoritos en el nuevo estudio señalan claramente a una supernova de baja masa como el objeto detonante del colapso de la nube. Ellos explican la abundancia de berilio-10, calcio-41y paladio-107.

4. Origen de los sistemas con planetas océano y pobre en agua

En febrero de 2019 T. Lichtenberg et. al. publicaron en Nature Astronomy el artículo titulado: A water budget dichotomy of rocky protoplanets from 26Al-heating donde los autores explican que el calor generado por el radionúclido Al-26 de corta duración, es decir los 4 MeV por núcleo trasformado deshidrata rápidamente los planetesimales antes de la acumulación en protoplanetas más grandes. Emplearon modelos numéricos de formación, evolución y estructura interior del planeta, para mostrar que la razón de agua con la masa y el radio de un planeta están anti-correlacionados con los niveles iniciales de Al-26 en el marco de una acreción basada en planetesimales. Niveles altos del isótopo suponen un planeta pobre en agua y con menos radio y al revés. Los planetas interiores del Sistema Solar son rocosos y pobres en agua porque una supernova al explotar cerca de la nube protosolar aportó Al-26 extra que en su transformación en Mg-26 desprendió un calor que secó los planetesimales de los que se formaron los planetas. Sistemas formados con bajas cantidades de Al-26 forman planetas oceánicos.

Resumen: Cualitativamente, nuestros modelos sugieren dos escenarios principales de formación de sistemas planetarios: sistemas con concentraciones altos en Al-26, como nuestro Sistema Solar, forman planetas pequeños y sin agua, mientras que los que carecen de Al-26 predominantemente forman mundos oceánicos, con radios medios del planeta hasta aproximadamente un 10% más grandes.

Sin embargo, la distribución de los planetas similares a la Tierra sigue siendo insuficientemente limitada, y no está claro si el Sistema Solar es un dato estadístico o puede explicarse mediante procesos de formación planetaria más generales.

Fig. 1 Proceso de acreción según el contenido en Al-26

5. Comunicado de prensa

Al presentar sus resultados a la prensa los astrónomos Tim Lichtenberg, del NCCRPS (National Centre of Competence in Research PlanetS) en Suiza, Michael Meyer de la Universidad de Michigan, y Christoph Mordasini, profesor de la Universidad de Berna, primero, cuarto y séptimo firmantes del artículo, declararon: 

¿Somos muy afortunados? ¿O hay algo más que distingue los sistemas planetarios como el Sistema Solar de otros?. El pensamiento actual cree que la mayor parte de su agua de la Tierra procede planetesimales muy ricos en agua. Pero si un planeta terrestre acreta mucho material de más allá de la llamada línea de hielo, recibe demasiada agua. Pero, si estos planetesimales se calientan desde el interior, parte del contenido de hielo inicial de agua se evapora y escapa al espacio antes de que pueda ser agregado al planeta. La causa del secado de los planetesimales es exactamente el calor radiactivo. La presencia de Al-26 durante la formación planetesimal puede hacer una diferencia de un orden de magnitud en los contenidos de agua planetarios entre estas dos especies de sistemas planetarios. Hay más preguntas, y el trabajo futuro será, por ejemplo, investigar cómo la deshidratación del Al-26 interviene en el crecimiento para formar planetas gigantes, como el  proto-Júpiter en el Sistema Solar temprano. Las predicciones cuantitativas de este trabajo ayudarán en un futuro a refinar las implicaciones del mecanismo de deshidratación del Al-26. Los investigadores están esperando ansiosamente el lanzamiento de las próximas misiones espaciales, las cuales permitirán descubrir exoplanetas de tamaño terrestre fuera de nuestro Sistema Solar. Estos ayudarán a la humanidad a comprender si nuestro planeta es único en su especie, o si hay una infinidad de mundos del mismo tipo que el nuestro propio, explica Lichtenberg.

Las simulaciones ayudan a resolver algunas preguntas, mientras plantean otras. Es genial saber que los elementos radiactivos pueden ayudar a secar el sistema húmedo y tener una explicación de por qué los planetas dentro del mismo sistema compartirían propiedades similares. Pero el calentamiento radioactivo puede no ser suficiente. ¿Cómo podemos explicar nuestra Tierra, que es muy seca, de hecho, en comparación con los planetas formados en nuestros modelos? Tal vez tener Júpiter donde estaba también era importante para mantener a la mayoría de los cuerpos helados lejos del Sistema Solar interno, dijo Meyer.

Luego usamos el llamado modelo Berna de formación y evolución de embriones planetarios para investigar qué tipo de planetas se forman a partir de los diferentes planetesimales, explica Christoph Mordasini.

La superficie sólida de la Tierra y su clima moderado pueden deberse, en parte, a una estrella masiva en el entorno de nacimiento del Sol. Sin los elementos radiactivos de esa estrella inyectados en el Sistema Solar temprano, nuestro planeta podría ser un mundo oceánico hostil cubierto de capas de hielo globales.

Todos los planetas tienen un núcleo, manto y corteza. Si el contenido de agua de un planeta rocoso es significativamente mayor que en la Tierra, el manto está cubierto por un océano global profundo y una capa de hielo impenetrable en el fondo del océano.(?) Esto evita procesos geoquímicos, como el ciclo del carbono en la Tierra, que estabilizan el clima y crean condiciones de superficie que conducen a la vida tal como la conocemos.

Los planetas internos terrestres de nuestro Sistema Solar aparecen, afortunadamente, muy secos porque demasiada agua puede ser perjudicial para la vida.

Fig. 2 Los sistemas planetarios nacidos en regiones densas y masivas de formación de estrellas heredan cantidades sustanciales de Aluminio-26, que secan los planetesimales antes de la acumulación (izquierda). Los planetas formados en regiones de baja formación de estrellas acumulan muchos cuerpos ricos en agua y crean mundos oceánicos (derecha). Crédito: Thibaut Roger.

Nosotros matizamos que cuando dice que un planeta océano es hostil para la vida se refiere a la vida humana. Nada impide que puedan vivir seres acuáticos. Tampoco entiendo cómo puede haber una capa de hielo en el fondo del océano. Esto se opone al hecho de que el agua presenta una dilatación anómala que hace que el hielo flote. He preferido no quitarlo y exponer mi extrañeza. No obstante sabemos que el agua presenta muchas fases según las condiciones de presión y temperatura y no nos extrañaría que en los planetas océano hubiera fases del agua no habituales en la Tierra. La obra La aptitud del ambiente de L.J. Henderson (1958) es un estudio clásico sobre las peculiares propiedades del agua.

En el pie de la figura 2 cambia sistemas planetarios cuya compresión de la nube protoplanetaria ha sido causado por una supernova por nacidos en regiones densas y masivas de formación de estrellas lo cual en principio es más general. Pero ignoramos que porcentaje de sistemas es producido por la explosión de una supernova, cual lo provoca la entrada de la nube en un brazo espiral de la galaxia, cuál a la autogravedad o si hay otro proceso. Además ello exige que el Al-26 se integre y seque los granos antes de la formación de planetesimales. Sólo así esto no representaría una nueva condición a la habitabilidad planetaria.

6. ¿Una nueva condición para la habitabilidad?

Ahora vamos a tratar de establecer, cuales son las condiciones o propiedades del planeta, necesarias para que surja la vida. Un planeta habitado o con vida será aquel en el que se den esas condiciones. Cómo no sabemos exactamente ¿qué es la vida? ni ¿cómo surgió? Estas condiciones son desconocidas.

Los planetas tienen unas características o propiedades que pueden ser intrínsecas, posicionales y derivadas (o secundarias).

Las propiedades intrínsecas incluyen masa, radio, periodo de rotación, edad y propiedades de la estrella en torno a la cual gira el planeta. Son todas astronómicas.

Las propiedades posicionales son la distancia a la estrella, inclinación del ecuador, excentricidad, sistema de satélites. Son todas astronómicas.

Las propiedades derivadas incluyen radiación recibida, temperatura efectiva, temperatura superficial, aceleración de la gravedad, presión atmosférica, estructura, composición interna, factores de marea, niveles de radioactividad, tectónica de placas, actividad volcánica, composición atmosférica, meteoritos y existencia de formas de vida. Son una mezcla de propiedades astronómicas y geobiológicas.

Entre las propiedades astronómicas destacan que el proceso de formación del sistema planetario llegue en algún momento de su existencia a una estabilidad gravitatoria mínima, y cierta estabilidad en los parámetros astronómicos, que permitan a la vida aparecer y evolucionar. La vida terrestre, en su extraordinaria complejidad y variedad, ha podido contar por tanto con un aliado irremplazable: la estabilidad. Una Luna para asegurar la adecuada orientación del planeta, un Júpiter para librarlo de asteroides intrusos, pero también una órbita circular que garantiza que se encuentre siempre a la misma distancia del Sol.

Entre las propiedades derivadas es importante que la masa y temperatura permitan el mantenimiento de una atmósfera; una masa, que permita la existencia de un núcleo de hierro fundido; y un periodo de rotación no demasiado largo, que permita la existencia de un campo magnético, que nos proteja de la radiación a altas energías de la estrella y proteja la atmósfera del planeta de perdidas catastróficas; debe haber un planeta dotado de una tectónica de placas, que permita el ciclo del CO₂, y hemos ya leído que esto se impide en los plantas océano.

El planeta debe tener presencia en su superficie de mares de agua líquida, que actúe como disolvente y permita las reacciones de las moléculas biológicas, con un pH cercano al neutro, es decir, ni básico ni ácido, para permitir el crecimiento de células. De esto los planetas océano van sobrados.

El plano del ecuador y el plano de la órbita de la Tierra forman un ángulo de 23 grados y 27 minutos de arco. El eje de rotación de la Tierra no está fijo, se va moviendo alrededor del polo de la órbita, describiendo un cono, con semiamplitud la antedicha y período de unos 25.800 años. Esto es lo que se llama precesión de los equinoccios. Este movimiento del eje de la Tierra es debido a la acción de las fuerzas conjuntas de la Luna y el Sol.

La inclinación del eje es la que causa las estaciones. Si es 0º no hay estaciones, si es 90º durante medio año un hemisferio se dirige a la estrella y es de día mientras el otro hemisferio es de noche; medio año después todo cambia. Determina también la latitud de los paralelos, que dividen las diferentes regiones climáticas del planeta: trópicos y casquetes polares. Para el hemisferio norte con una inclinación de 30º la zona tropical va de 0 a 30º, la zona polar de (90-30)º a 90º y de 30º a 60º la zona templada.

La Tierra, donde ha surgido la vida, tiene una inclinación muy estable que apenas varía 2º. Pero hay un culpable de esta estabilidad, la Luna. Si la Luna no existiera, el Sol causaría un periodo de precesión de 78.000 años, que coincidiría con el periodo de una perturbación de Júpiter sobre la Tierra. Entonces se produce una resonancia. Sin la Luna, el eje de rotación empieza a bambolearse peligrosamente hasta unos 60º. En Marte, que no tiene satélites grandes, el eje de rotación se inclina desde 15º a 45º en vez de los dos grados de variación de nuestro eje. La existencia de la Luna es fruto de la casualidad y que tenga una masa tan grande, como para estabilizar el eje, aún más. Los planetas terrestre no tienen satélites y si los tienen se deben a choques catastróficos. Es decir a casualidades.

Sin la existencia lunar, podría ser que en un cierto momento este ángulo fuera cero y no habría estaciones. Actualmente los casquetes polares están medio año sin luz. Si fuese de 90º el Sol estaría iluminando los casquetes todo el año. Se fundirían y los rayos de luz, que llegan ahora a los casquetes y se reflejan, ya no lo harían sino que serían absorbidos. El resultado sería catastrófico, la temperatura media de la Tierra aumentaría unos 50 grados.

Si la inclinación fuese de 60º, la zona del casquete se extendería hasta los 90-60=30º. Una gran parte de la Tierra es la que pasaría a estar oscura durante medio año, llegando el casquete polar a una latitud de 30º. La radiación sería reflejada en mayor proporción por los casquetes, produciendo una menor absorción de calor, con lo cual la temperatura podría disminuir otros 50 grados. De esta forma, gran parte del planeta sería inhabitable.

Sin la Luna habría un movimiento caótico, que en medio millón de años pasaría de una Tierra sin casquetes polares a otra, donde los casquetes polares llegarían hasta los trópicos y la temperatura fluctuaría unos 100 grados. La vida sería imposible para la especie humana. La inclinación adecuada del eje de rotación es vital para que haya estaciones y florezca la vida, pero una variación excesiva puede ser letal para su desarrollo.

La vida, a su vez, manipula al planeta, y no hace falta que su atmósfera contenga oxígeno, pues ya se encargarán las plantas de fabricarlo. 

Sin Júpiter, sin la Luna y sin una órbita estable y bastante circular, a la distancia adecuada del Sol, quizá no estaríamos escribiendo estas líneas.

Los astrónomos Tim Lichtenberg, Gregor J. Golabek, Remo Burn,  Michael Meyer et. al. añaden quizá inconscientemente una nueva condición de habitabilidad en el proceso de formación del sistema planetario. Ahora además de la existencia de un Júpiter que evite las extinciones masivas por los meteoritos, una Luna que estabilice la inclinación, debe haber una supernova que haga rico el entorno en Al-26 y evite los planetas océano. Claro que estamos hablado de vida pluricelular terrestre.

Rare Earth

En el año 2000 Peter Ward publica el libro Rare Earth: Why Complex Life Is Uncommon in the Universe donde plantea que el surgimiento de vida pluricelular en la Tierra requirió la coincidencia de una gran cantidad de eventos y circunstancias astronómicos y geológicos. La hipótesis argumenta que la vida compleja extraterrestre es un fenómeno improbable y extremadamente raro.

Los defensores de esta hipótesis alegan que la vida en la Tierra, y en particular la vida humana, parece depender de una larga y extremadamente afortunada cadena de eventos y circunstancias, que bien podrían ser irrepetibles incluso en la escala cósmica. 

Argumentan que el cosmos, como un todo, está finamente diseñado para la vida, y que dentro de él, las peculiaridades terrestres hacen de nuestro planeta un punto muy especial. Combaten el principio de Copernico (opuesto al suyo) con base en los siguientes argumentos:

• La Tierra orbita una estrella no binaria, rica en metales, a la distancia justa para no ser el infierno de Venus ni tampoco ser un planeta congelado como Marte.
• La Tierra tiene la masa suficiente, para mantener una atmósfera, para que su corteza de silicatos tenga placas tectónicas y un núcleo de hierro, que permite el ciclo del dióxido y el campo magnético que protege la vida que en ella se desarrolla.
• Los planetas gigantes (Júpiter y Saturno) son un paraguas contra los choques frecuentes de asteroides, nos protegen de sin desestabilizar la órbita terrestre.
• Existe una cantidad ideal de agua para mantener una hidrosfera.
• Existe la Luna y es anómalamente masiva, creando mareas y estabilizando el movimiento axial de la Tierra. Según Jacques Laskar, esta importante característica es imposible de obtener sin una Luna como la nuestra.
• La ubicación galáctica de la Tierra es extraña e importante: No está en el centro de la galaxia ni en un cúmulo globular; no está cerca de una fuente activa de rayos gamma, ni en un sistema multiestelar, ni cerca de un púlsar, ni cerca de estrellas muy pequeñas, grandes, o que estén prontas a convertirse en supernovas. (Rare Earth, página 282).

Estas, entre muchas otras casualidades, separadamente pueden parecer triviales, pero juntas convierten a la Tierra en un lugar cósmicamente especial.

Sin embargo desde fines del siglo XX, y producto de nuevos descubrimientos, tales como la existencia de moléculas orgánicas en el espacio, la presunta existencia de un océano de agua líquida en Europa, o el demostrado hecho de que los planetas extrasolares son relativamente comunes, y de que por tanto algunos de ellos podrían presentar condiciones factibles para la vida, han hecho que esta hipótesis ya no sea compartida por buena parte de la comunidad científica.

Quizá la visión Rare Earth peque de un geocentrismo excesivo, pues en la misma Tierra la vida ha surgido en ambientes extremos y si se descubre vida en el Sistema Solar en satélites como Europa o Encélado, muchas de las necesidades aquí descritas se caen por su base.

Los seguidores de la paradoja de Fermi toman los nulos hallazgos de la búsqueda de señales inteligentes de vida como una indicación de lo erróneo del principio copernicano. La falta de contacto es interpretada a menudo como una escasez de inteligencia humanoide y no como una falta de planetas similares a la Tierra.

Si nos atenemos a la ortodoxia terrestre y a las causas que hacen que nuestro planeta sea tan propicio a la vida, podemos afirmar que ninguno de los planetas extrasolares descubiertos hasta la fecha cumple estas condiciones. Sin embargo, es posible que alguno de los gigantes gaseosos, que está en la zona habitable de la estrella y cuya órbita no sea demasiado excéntrica, albergue un satélite, cuya superficie este bañada por agua liquida y donde tal vez la vida haya podido surgir.

Principio copernicano 

Quizá debería llamarse Principio Giordano Bruno pues aunque Nicolás Copérnico estableció que era el Sol y no la Tierra el centro del Universo fue Giordano el que intuyó que cada estrella era un sol, sólo que muy lejano y rodeado de planetas que él imaginaba habitados.

El planteamiento tradicional del principio copernicano se base en: 

• En la antigüedad se pensaba que la Tierra era el centro del Sistema Solar, pero Copérnico propuso que el Sol cumplía este papel. Esta visión heliocéntrica fue confirmada años después por Galileo.
• En los años 1930, RJ Trumpler encontró que el Sistema Solar no era el centro de la Vía Láctea como se pensaba, y que, más bien, el Sol estaba en el extrarradio de ésta en uno de sus brazos espirales. 
• En la década de los 50 del siglo XX, George Gamow mostró que  la Vía Láctea es una más de las 100.000 millones que hay en un Universo. Que éste se expande, pero nuestra galaxia no es el centro de expansión del Universo.
• En 1933 Fritz Zwicky y posteriormente a finales de los años 1960 Vera Rubin, para probar la persistencia de un cúmulo de galaxias y la curva de velocidad de éstas respectivamente postularon que la materia bariónica de la que están hechas las galaxias, estrellas, planetas, etc. es residual y debe haber una materia oscura hasta ahora sólo detectable por sus efectos gravitatorios de naturaleza actualmente desconocida.
• En 1998 las observaciones de supernovas de tipo Ia muy lejanas, permitió a Saul Perlmutter, Adam Riess y Brian P. Schmidt descubrir la expansión acelerada del Universo, un especie de repulsión gravitatoria achacable a un ente todavía más extraño la energía oscura. El Universo se compone de un 5% de materia ordinaria, un 27 % de materia oscura y un 68% de energía oscura.
• En 1995 y siguientes Michel Mayor y Geoff Marcy mostraron que los planetas extrasolares, en torno a otras estrellas son muy comunes. Así el número de planetas es por lo menos tan grande como el número de estrellas del Universo: 20.000 trillones.

En resumen, el principio copernicano cree que la Tierra es un planeta relativamente ordinario orbitando una estrella ordinaria en una galaxia ordinaria.

Algunos defensores de SETI toman el principio de Copernico como una razón de peso para esperar abundancia de señales extraterrestres. Por ejemplo, Carl Sagan usaba el principio para sugerir que podría existir un millón de civilizaciones en la Vía Láctea. Hoy sabemos que en la galaxia debe haber unos 100.000 millones de planetas.

Son tantas las galaxias del Universo, las estrellas en la galaxia, los sistemas planetarios y los planetas, que, aunque su formación la presida el azar, aunque muchos planetas sean incompatibles con la vida, en muchos sistemas planetarios reine el caos durante toda su existencia, pueda haber aún sistemas con un final ordenado y estable, con su Júpiter protector y su Luna estabilizadores, si es que esto es necesario, en donde se puedan desarrollar condiciones aptas para la vida, sin ignorar que la vida se abre paso en un rango extremadamente ancho de casos, como vemos en nuestro propio planeta y quizá su aparición a nivel microscópico no sea tan exigente como el aquí esbozado.

Resumen:
Para mi, la vida unicelular debe ser común y debe surgir cuando se dan las condiciones físicas para ello (condiciones necesarias) y no cómo una cuestión de azar. Igual que la física, química o geología son universales, la biología debe serlo. Otra cosa distinta es la vida pluricelular o vida inteligente que se desarrolla en un pequeño o pequeñisimo porcentaje respectivamente de planetas habitados. Somos la primera generación que va a descubrir vida extraterrestre unicelular en los próximos 50 años. Espero no sea muy tarde y verlo. Donde, es otra cuestión.

La abundancia de los planetas exoneptunos fríos

Pone en entredicho algunos aspectos de la teoría de formación de los gigantes de gas.

1.- Introducción

En la rutilante ciencia de los exoplanetas donde todos los días hay noticias de importancia, nos ha pasado casi desapercibida una noticia a la que no se le ha dado la importancia que merece y de ello será testigo el futuro. En diciembre del año pasado se han producido dos hechos casualmente encadenados en el tiempo, la medición de la masa de un exoneptuno frío de intrincado nombre por un método novedoso y una estadística de cuerpos exoneptunos fríos que pone en entredicho algunos aspectos de la teoría de formación de los gigantes de gas. Para tratar de entender la importancia de estos dos hechos independientes pero relacionados es por lo que escribo este artículo.

Fig 1 (I-D) Aparna Bhattacharya, una investigadora postdoctoral de la Universidad de Maryland y el Centro de vuelo de Space Space de la NASA (GSFC), David Bennett, científico de investigación senior de la Universidad de Maryland y GSFC, y Daisuke Suzuki del Instituto de Espacio de Japón y Ciencia Astronáutica.

2.- En el Sistema Solar

En el Sistema Solar, el único que se conocía hasta 1995, sólo hay tres tipos de planetas: Terrestres: Mercurio, Venus, la Tierra y Marte del que nuestro planeta es el mayor. Gigantes de hielo o neptunos: Urano y Neptuno con masas de 14 y 17 Mt (veces la masa de la Tierra) y Gigantes de gas: Saturno y Júpiter con 95 y 318 Mt. No hay tipos intermedios entre la Tierra y Urano o entre Neptuno y Saturno.

Es una tendencia general en el Universo que los cuerpos con menos masa son más abundantes. Así las galaxias de menos masa abundan más que las galaxias masivas y las estrellas enanas rojas mucho más que las estrellas masivas. En los planetas existe la misma tendencia los gigantes son menos abundantes que los terrestres, estos menos que los satélites y estos mucho menos que los asteroides u objetos del Cinturón de Kuiper.

3.- En los exosistemas planetarios

En los sistema exoplanetarios, por el contrario de lo que ocurre en el Sistema Solar, existen planetas de masas entre la Tierra y Urano se les llama supertierras si tienen superficie sólida o neptunos ligeros si son gaseosos y su masa es inferior a la de Neptuno. Existen planetas con masas entre Neptuno y los gigantes de gas (jupíteres) que pueden ser megatierras, neptunos o neptunos ligeros si su densidad es muy baja. Entre los primeros hay una ambigüedad respecto a su naturaleza si conocemos sólo un límite inferior de la masa (porque han sido detectados sólo por el método de la velocidad radial) o conocemos sólo su radio (porque han sido detectados sólo por tránsito). Sólo de los planetas detectados por ambos métodos se tiene la densidad media y podremos hablar de su naturaleza, si los errores en masa y radio no son muy grandes. Por último entre planetas y estrellas hay objetos que comparten algunas características con los dos y que se llaman enanas marrones. Pueden formar parte de sistemas planetarios o ser cuerpos solitarios.

Para complicar más las cosas, la naturaleza del objeto cambia cuando lo hace la temperatura que sufre es decir la distancia a su estrella. Así no es lo mismo un júpiter o neptuno caliente que pueden perder parte de su masa por evaporación o un júpiter o neptuno frío similar a los existentes en el Sistema Solar.

El método de la velocidad radial es más sensible a cuerpos masivos y cercanos a su estrella y en el método del tránsito la probabilidad de detectar un tránsito disminuye con la distancia y favorece también los cuerpos grandes. Estos dos procedimientos constituyen el 96% de los descubrimientos. Por eso los exoplanetas descubiertos hasta ahora no son del todo significativos y los exoneptunos fríos están infravalorados en la muestra.

Para poner orden en la fauna de exoplanetas, en aquellos descubiertos por tránsito y velocidad radial para los que se conoce masa y radio se puede dibujar el diagrama radio-masa donde cada exoplaneta ocupa un punto. Es conveniente dibujarlos con sus barras de error. Se pueden trazar isocurvas de densidad. Estas unen puntos radio, masa de cuerpos con la misma densidad. Son muy fáciles de dibujar. Basta con tener presente que la masa es proporcional al cubo del radio siendo la constante de proporcionalidad la densidad. Si expresamos la densidad tomando como unidad la densidad de la Tierra 

𝜌t =5,51gr/cm³ 

y el radio en radios de la Tierra, la masa aparece en masas terrestres. Se usa la expresión inversa porque en el diagrama el eje y es el radio. Nosotros aquí nos interesan los cuerpos entre 10 y 100 masas de la Tierra.

Fig. 2 Entre los planetas con masa menor de 50 masas de la Tierra, a grandes rasgos se distinguen dos grandes grupos: los que tienen un radio inferior a 2 veces de la Tierra que tienen más probabilidad de tener una superficie sólida o planetas terrestres y los que tienen un radio mayor que 2 veces el de la Tierra que son planetas gigantes sin superficie sólida. Se duda de la existencia de las Tierras densas (Td en el diagrama) y de las megatierras.

En el diagrama de la Fig. 2 se observa que no hay neptunos entre 40 y 60 Mt. Es decir hay un hueco que separa los neptunos de los gigantes de gas y que probablemente esté indicando dos mecanismos diferente de formación para los exoneptunos y los gigantes de gas. El planeta OGLE-2012-BLG-0950L b con una masa 39±8 Mt estaría en el borde inferior o en plena brecha según consideremos el error. El diagrama es antiguo habría que añadir los exoplanetas descubiertos por ambos métodos desde entonces. Además no discrimina en función de la distancia a la estrella y habría que dejar sólo los exoneptunos fríos entre 20-95 Mt y que según el estudio de Daisuke Suzuki del Instituto de Espacio de Japón y Ciencia Astronáuticas son 30 los descubiertos hasta ahora.

No es la primera vez que se observan huecos en los diagramas. Uno de los más recientes y conocidos es el hueco de Fulton de planetas descubiertos por tránsito y cuyo número disminuye mucho para radios entre 1,5 y 2 Rt resolviendo en parte la ambigüedad sobre su naturaleza: los cuerpos con radios inferiores a 2 Rt serían probablemente rocosos y los de radio mayor que 2 Rt tendrían una mayor probabilidad de ser gaseosos.

4.- La línea de los hielos

Se llama línea de hielo a la zona cuya distancia a la estrella hace que a una distancia inferior las sustancias volátiles, el agua y otras sustancias de bajo punto de ebullición, se evaporen. Vamos a situarnos en un escenario temporal especial: al principio de la formación de un sistema planetario cuando todavía no se han formados los planetas y sólo existe gas y polvo. La isoterma de 150 ºK de un disco protoestelar señala la línea de hielo. Debido a la presión extremadamente baja, las moléculas de agua pasan directamente del estado gaseoso a formar una película de hielo sobre los granos de polvo y otras partículas. Se crea una discontinuidad en las propiedades del gas.

La distancia a la que esto ocurre, en nuestro Sistema Solar es de entre 2 y 4 U.A. del Sol; es decir entre las órbitas de lo que serán Marte y Júpiter. La línea de hielo, divide al sistema planetario en una región interna, pobre en volátiles y repleta de cuerpos rocosos, y en una región más externa, rica en volátiles y con cuerpos helados.

Las moléculas de agua terminan acumulándose en la línea de hielo. La acumulación de partículas acuosa provoca una cascada de efectos. Los granos ganan velocidad y se frena su desplazamiento hacia el interior, pero como siguen llegando granos desde las regiones exteriores del disco; la línea de hielo termina por transformarse en un verdadero banco de hielo .Lo veremos mejor cuando hablemos de la migración planetaria.

Con esa proximidad mutua los granos colisionan y crecen, el primer paso en la formación de planetas. Algunos atraviesan la línea de hielo y siguen hacia el interior, pero adquieren en el proceso un revestimiento de lodo y de moléculas complejas que los vuelve más pegajosos. Los granos de polvo se agrupan para formar cuerpos que miden unos kilómetros; se los llama planetesimales. Al final de esta fase de la formación planetaria, los planetesimales habrán barrido casi todo el polvo original. A los cien mil años de su constitución, un disco protoestelar puede contener billones de planetesimales de unos kilómetros de diámetro. No obstante, el disco no parecería superpoblado. Entre los cuerpos de tamaño kilométrico mediarían distancias de miles de kilómetros de distancia.

Hasta julio de 2016 la línea de hielo era un concepto clave de la formación planetaria aunque nadie la había visto. Las observaciones de ALMA del disco protoplanetario de la joven estrella V883 Orionis. se diseñaron para obtener imágenes de la fragmentación del disco que lleva a la formación del planeta. En su lugar los astrónomos visualizaron la línea de hielo.

La estrella había sufrido un gran aumento en el brillo que había calentado la parte interna del disco, haciendo que la línea de hielo de agua estuviera a una distancia mucho mayor de lo normal para una protoestrella, a 40 U.A. (aproximadamente la distancia de Plutón en nuestro Sistema Solar) en lugar de 3 U.A. que sería lo normal para una típica estrella joven de tipo solar.

Fig. 3 El súbito aumento de brillo experimentado por V883 Orionis es un ejemplo de lo que ocurre cuando grandes cantidades de material del disco que rodea una estrella joven caen sobre su superficie.

5.- Formación planetas gigantes

Las ideas sobre la formación de los planetas gigantes se deben a Fausto Perry y A.G.W. Cameron. Se elaboraron cuando lo único que tenían que justificar era la formación en el Sistema Solar de los gigantes de gas y hielo.

Fig. 4 Modelo para la formación de Júpiter. La acreción de planetesimales de roca y metal (línea marrón) se estabiliza, por agotamiento de esos materiales en la órbita, tras una fase inicial rápida. Este núcleo atrae una atmósfera de gases (línea morada). Cuando la masa total alcanza 20 a 30 Mt se produce un colapso gravitacional del gas. En unos miles de años la masa total (línea naranja) alcanzó 318 Mt la masa actual de Júpiter. 

Más allá de la línea de hielo, en las órbitas exteriores, los materiales densos se cubrieron de elementos volátiles, lo que dio lugar a los núcleos de los planetas gigantes formados por roca y metal, y con masas del orden de unas 10 Mt en el interior de Júpiter y Saturno. Ese núcleo tiene suficiente gravedad para atrapar lentamente al hidrógeno y helio. Pero bajo éste modelo, una vez que un planeta en desarrollo aumenta lentamente hasta 20 masas de la Tierra, algo cambia. El proceso se vuelve abrumador, con el planeta engullendo rápidamente cualquier otro gas que esté cerca hasta que la fuente se agota. Si esta idea es correcta, explica la brecha entre Neptuno y Saturno. Urano y Neptuno nunca alcanzaron el tamaño crucial para desencadenar la acumulación masiva de gases, mientras que Saturno y Júpiter sí lo hicieron y alcanzaron masas enormes.

La formación del primer gigante en el Sistema Solar ayudó a formar a Saturno. Muchos, si no la mayoría, de los planetas gigantes conocidos, tienen hermanos de masa equiparable. El gigante de gas que aparece primero cumple varios servicios. El material se acumula en el borde exterior del hueco que abren en el disco por las mismas razones que en la línea de hielo. La diferencia de presión hace que el gas se acelere y actúe sobre los granos y los planetesimales como un viento de cola que detiene su migración hacia el interior del sistema. Por otra parte, la gravedad del primer gigante gaseoso tiende a dispersar los planetesimales cercanos hacia otras regiones del sistema, donde podrán formar nuevos planetas. En nuestro Sistema Solar, por ejemplo, la presencia de Júpiter pudo controlar el crecimiento de Saturno.

La segunda generación de planetas surge del material que el primer gigante ha amontonado. El momento en que ocurra cada paso adquiere una importancia crítica; bastan pequeños cambios en la escala temporal para que haya diferencias notables en los resultados. Saturno quizá sea más pequeño que Júpiter, por la sencilla razón de que se formó unos millones de años más tarde.

Los constituyentes principales de Júpiter y Saturno son el hidrógeno y el helio de su atmósfera, y creemos que estos planetas adquirieron la mayor parte de su masa mediante este proceso de colapso gravitatorio. 

Los planetas son anteriores a encenderse el horno solar, ya que la fase T-Tauri de las estrellas provoca el barrido de los gases que quedan limpiando el Sistema Solar. Por tanto, la formación de los planetas gigantes debió de ser muy rápida, ya que en los discos protoplanetarios, los gases no duran mucho más de un millón de años, y siempre menos de diez.

Cuando ocurrió el colapso que formó Júpiter y Saturno, la conservación local del momento angular en el gas provocaría su achatamiento en un disco alrededor del núcleo planetario. Se produjo en cada planeta gigante una versión local de la nebulosa solar primitiva, con un núcleo central de roca condensada y hielo en lugar del Sol, con un disco protoplanetario del que nacerían, mediante procesos similares a los de formación de planetas, el sistema de satélites que tienen los planetas gigantes.

Esto no ocurrió en el caso de Urano y Neptuno quizá porque su núcleo (sobre 1 Mt) no alcanzó el tamaño suficiente o bien porque se formaron más tarde cuando quedaba sólo una cantidad reducida de gases (~10%), sea como fuera, el hidrógeno y el helio representan una fracción menor de la masa de Urano y Neptuno, en cambio acumularon compuestos volátiles como agua, NH₃ y CH₄. Parece que la cantidad de materia en las actuales órbitas de Urano y Neptuno (a 19 y 30 U.A.) no es suficiente para formar planetas de esta masa. Esto podría indicar que estos dos cuerpos se formaron a menor distancia del Sol.

No obstante hay varios problemas a esta teoría. La sonda Juno en órbita muy excéntrica al planeta Júpiter pretende en sus aproximaciones determinar la estructura interior de nuestro mayor gigante de gas. Quiere averiguar la masa de su núcleo para ver si éste tiene la masa crítica suficiente para la posterior captura masiva de gas. Conocer las características internas de los planetas gigantes del Sistema Solar permitirá desentrañar en gran parte los misterios asociados a la formación de los planetas extrasolares gigantes alrededor de otras estrellas. A finales de mayo de 2017 los datos gravimétricos de Júpiter aunque no concluyentes se inclinaron hacia un pequeño núcleo rocoso rodeado de otro núcleo difuso mucho mayor  que ocupa entre el 30-50% del radio del planeta y donde la roca se ha diluido en el hidrógeno metálico. Los modelos tradicionales de formación apuntaban hacia un núcleo denso. La nave Cassini alrededor de Saturno tras estudiar desde 2004 el planeta, sus satélites y anillos se dirigió a estrellarse con Saturno para preservar de contaminación a los satélites e intentar obtener también información del núcleo. En enero de 2019 L. Iess de la Sapienza Università di Roma, et. al. publicó el artículo Measurement and implications of Saturn’s gravity field and ring mass donde dice que Saturno parece tener un núcleo claramente diferenciado de entre 15 y 18 masas terrestres. Desgraciadamente ninguna sonda a orbitado a Urano o Neptuno.

6.- Migración planetaria

Otro aspecto a tener presente en la formación de los planetas gigantes es la migración planetaria. Hubo que esperar al descubrimiento de exoplanetas para descubrir su importancia.

Curiosamente, muchos de los planetas extrasolares descubiertos presentan órbitas muy cercanas a sus estrellas, mucho más que la de Mercurio al Sol. El primer planeta descubierto alrededor de una estrella de la secuencia principal, 51 Peg b en 1995, es un júpiter caliente. Su existencia desafiaba la teoría existente en aquella época, según la cual los planetas gigantes tienen que formarse en las regiones externas y frías de los discos protoplanetarios. Es decir más allá de la línea de hielo. La existencia de los jupíteres calientes demanda una secuencia de formación en tres partes y que incluye la migración:

Primero, el gigante de gas debe desarrollarse en la región externa del sistema planetario, cerca de la línea de hielo, mientras el disco aún contiene una gran cantidad de gas. Esto exige una alta concentración de material sólido en el disco.

Segundo, el planeta gigante debe desplazarse hasta su posición actual. El planeta recién formado abre un hueco en el disco he impide cualquier flujo de gas a través de su órbita. Este mecanismo lleva así a la formación de huecos dentro de los discos protoplanetarios. El tamaño del hueco depende principalmente de la masa del objeto y es igual a unas pocas veces el radio de Hill, que se define como la distancia más allá de la cual la fuerza gravitatoria ejercida por la estrella supera la del protoplaneta. A medida que el embrión crece, su velocidad de escape aumenta.

Tercero, tiene que haber algo que detenga la migración, antes de que el planeta se precipite en la estrella. El campo magnético estelar podría limpiar de gas la cavidad inmediata a la estrella; sin gas cesa la migración. También puede, que el planeta ejerza fuerza de marea sobre la estrella y la estrella, a su vez, circulariza la órbita planetaria. Muchos planetas terminarán seguramente por caer en la estrella. Al final tenemos en algunos sistemas planetarios un planeta gigante en una órbita corta (júpiter caliente).

¿Cómo funciona el mecanismo de la migración?

Hay una tendencia de los embriones a caer en espiral hacia la estrella. Es la llamada migración de tipo I. La razón de este movimiento es sutil. El embrión crea una onda en el disco gaseoso, al igual que un barco produce una estela similar a una V. Pero hay una diferencia con la analogía del barco. Y ésta es la rotación diferencial. El gas que viaja por la parte interior del planeta, más próximo a la estrella adelanta al planeta, mientras que la opuesta se rezaga. El gas que va por delante ejerce una fuerza gravitatoria que acelera al planeta, mientras que la que se retrasa lo frena. ¿Qué fuerza vence de la dos? La parte externa es más grande, hay más gas y vence así que el planeta es frenado en su órbita y cae hacia el interior del sistema planetario varias unidades astronómicas en un millón de años.

Sólo una pequeña fracción del 10% de sistemas con planetas gigantes tiene un júpiter caliente y en todos los casos la estrella gira rápidamente en periodos de cinco o diez días. En el Sistema Solar no hay jupíteres calientes y hasta recientemente no se vio la importancia de la migración planetaria (modelo de Niza) en los detalles de su formación. Por ejemplo la formación de Urano y Neptuno tuvieron lugar mucho más cerca del Sol y luego se alejaron. El Bombardeo Masivo Tardío, que afectó al Sistema Solar interno lo causaron Júpiter y Saturno que al acercarse hacia el Sol perturbaron al Cinturón de Asteroides lanzándolos hacia los planetas internos.

¿Qué causa que un sistema planetario tenga jupíteres calientes y otros no? No lo sabemos pero la estadística nos dice que casi la tercera parte de las estrellas ricas en metales (elementos más pesados que el H y He) albergan planetas de la masa de Júpiter. Se encuentran menos planetas gigantes en torno a estrellas pobres en metales. En el año de la Tabla Periódica de los 116 elementos químicos hay que decir que para los astrofisicos sólo tiene tres (H, He y metales).

Mientras el planeta adquiere masa, crece su atracción gravitatoria sobre el gas del disco. Entonces abre una brecha en el disco protoplanetario que corta el suministro de material al planeta. La brecha se abre de una forma poco intuitiva , como verás si sigues leyendo.

Iniciada la fase de crecimiento, ésta se acelera a un ritmo asombroso. En unos mil años un planeta de la masa de Júpiter puede alcanzar la mitad de su masa final. El planeta se estabiliza, cuando tiene la masa suficiente para invertir la migración de tipo I. Es decir en lugar de que el disco altere la órbita del planeta, es el planeta quien modifica la órbita del gas en el disco. El gas del interior de la órbita planetaria gira más rápido que el planeta, por lo que la gravedad de éste tiende a tirar de él, haciendo que caiga hacia la estrella; esto es, el gas se aleja del planeta. El gas exterior a la órbita planetaria gira más lentamente; el planeta tiende a acelerarlo y a llevarlo hacia afuera. Es decir, el gas se aleja del planeta. En consecuencia, el planeta abre un hueco en el disco y corta todo su suministro de materia original. El gas intenta repoblar el hueco, pero las simulaciones indican que el planeta vencerá en la batalla si su masa es mayor que la de Júpiter, aproximadamente, a 5 UA.

Se ha observado una escasez de planetas entre las 20 masas terrestres (la masa de Neptuno) y las 100 (la masa de Saturno) y una brecha entre los 40 y 60 Mt. Esta escasez queda explicada por la teoría de la acreción del núcleo en la formación de los gigantes de gas. Pero el método de la lente gravitacional ha descubierto, y ésta es la importancia del descubrimiento actual, 10 veces más exoneptunos fríos que lo que la teoría anterior puede explicar.

7.- Método de la microlente gravitatoria

El fenómeno de la lente gravitatoria se fundamenta en la teoría de la relatividad. Einstein estableció en 1936 la equivalencia entre la masa y la energía, como consecuencia la luz constituida de fotones, está sometida a la gravitación. Así la luz que pasa a la distancia r de un objeto de masa M que se supone que es puntual sufre una desviación en su dirección de propagación 𝛼, que es directamente proporcional a la masa e inversamente proporcional a la distancia.
Cuando un objeto masivo cae entre el observador y el objeto observado, la imagen del último está así deformado por la masa del objeto masivo. La amplitud del fenómeno depende de la masa y posición del deflector. Cuando el objeto que desvía la luz es suficientemente masivo, en cuyo caso 𝛼 es mayor que la resolución del instrumento usado para la observación, el efecto es conocido como macrolente: la imagen del objeto se multiplica en un número impar de imágenes secundarias. Cuando la masa del objeto deflactante es baja y 𝛼 es menor que el tamaño angular del disco de difracción del instrumento observador, la situación se describe como microlente y la multiplicación de la imagen no se observa, observándose en cambio  un efecto de amplificación global de la intensidad de la fuente. La amplificación gravitatoria depende de la geometría del evento: distancia angular entre la fuente y el deflector, la distancia entre el observador y la lente, la distancia entre el observador y la fuente, la distancia entre la fuente y la lente y la masa M del objeto deflactante. La variación en el brillo del objeto durante el paso de la lente es simétrica, y centrada en la posición de la estrella lente.
Para los buscadores de planetas, el caso interesante es cuando el deflector esta acompañado por uno o más planetas (un suceso de lente múltiple). La estructura de la zona de amplificación es entonces no simétrica. Debido a la presencia de planetas, aparece una perturbación entre la estrella y el planeta, conocida como una cáustica, dónde la amplificación gravitatoria es teóricamente infinita para las fuentes puntuales como las estrellas. En el caso de una lente simple (sin un planeta), el único punto de amplificación gravitatoria infinita es la posición de la propia lente, es decir, cuando se alinean perfectamente la fuente, lente, y observador. En el caso de una lente múltiple, la intensidad aparente de la fuente sufre variaciones significativas cuando el camino aparente de la fuente relativo a la lente, se aproxima o cruza la cáustica pero no lo cruza. En tal un caso, nosotros observamos anomalías en la característica curva gaussiana de una lente simple.  Del estudio de las características de la curva nos permite determinar las características del planeta, o planetas (principalmente la masa y la distancia angular proyectada), por el uso de un modelo que incorpora  un número significativo de parámetros que pueden ajustarse a los datos. Este método es, en principio, sumamente sensible, en 2005 Beaulieu descubrió el exoplaneta OB-05-390 b que con una masa de 5,8 veces la masa de la Tierra, fue el menos masivo en su época (aunque su masa está afectada por un factor de error 2). El objeto está orbitando una estrella fría (de tipo espectral M) a una distancia de 2,6 U.A. La temperatura de la superficie de este planeta no puede ser más alta que 50 ºK lo que le permite comparase con Plutón de nuestro Sistema Solar. El método de la microlente gravitatoria revela su importancia en los planetas cuya ubicación es más allá de la línea de hielo de su estrella anfitriona.
La dificultad de este método radica en que el exoplaneta se observa una sola vez ya que nunca se repite la alineación.

8.- El descubrimiento de OGLE-2012-BLG-0950L b

En 2016 se descubrió un exoplaneta por el método de microlente gravitatoria. OGLE-2012-BLG-0950L es una estrella enana roja de tipo espectral M muy lejana que se encuentra a unos 3.000(+800/-1100) parsecs, con una temperatura efectiva de 5.500 ºK.​ Tiene una masa estimada de 0,56 (+0,12/-0,16)masas solares.
El planeta OGLE-2012-BLG-0950L b tiene una masa de 35 (+19/-9) veces la de Júpiter y orbita a 2,7 (+0,6/-0,7) U.A.
El trabajo del descubrimiento denominado OGLE-2012-BLG-0950L b: The First Planet Mass Measurement from Only Microlens Parallax and Lens Flux ya determinó su masa. El primer firmante era N. Koshimoto pero figuraban también D.P. Bennett J.P. Beaulieu, Y. Matsubara y A. Bhattacharya. OGLE-2012-BLG-0950L b fue detectado por primera vez por el Optical Gravitational Lensing Experiment (OGLE) y el Microlensing Observations in Astrophysics (MOA). El equipo de Aparna Bhattacharya realizó luego observaciones de seguimiento y uso del poderoso sistema de óptica adaptativo de KKK Observatory en combinación con NIRC2. Medir la separación del sistema planetario y de la estrella de fondo nos permitió resolver la geometría completa del evento de microlente. Sin estos datos, sólo sabíamos que la relación masa de la estrellas y del planeta, no las masas individuales dijo Bennett.
Durante los dos meses que duró el evento, los objetos cambiaron su posición con el tiempo, al principio el sistema planetario y la fuente lejana que lo estaba magnificando estaba fuera de la alineación. El equipo pudo hacer una medida increíblemente precisa desde la identificación planetaria de OGLE-2012-BLG-0950L b.
En 2018 Aparna Bhattacharya es la primera autora del artículo WFIRST Exoplanet Mass Measurement Method Finds a Planetary Mass of 39±8Mt for OGLE-2012-BLG-0950L b en cuyo resumen afirman:
Presentamos el análisis de las imágenes de alta definición simultáneas del Telescopio Espacial Hubble y del sistema de Óptica Adaptativa Keck del evento OGLE-2012-BLG-0950L La masa de la estrella es 0,58±0,04Ms y el planeta OGLE-2012-BLG-0950L b de masa 39±8 Mt orbita a una distancia proyectada de 2,54±0,23U. A. El sistema planetario se localiza a una distancia de 2,19±0,23 kpc de la Tierra. Es el segundo planeta detectado por microlente más allá de la línea de nieve con una masa en el rango 20-80Mt. El proceso de acreción de gas del modelo de acreción del núcleo predice pocos planetas en este rango de masa, porque se cree que los planetas gigantes crecen rápidamente a estas masas y ellos raramente no completan el crecimiento a esta masa. Así que, este resultado sugiere que la teoría de acreción del núcleo puede necesitar una revisión. Este análisis también demuestra las técnicas que se usarán para medir las masas de planetas y sus estrellas con el WFIRST un estudio por microlente gravitatorio que combina la paralaje, la separación y la medida de brillo de la fuente irresoluta y la estrella para obtener restricciones redundantes múltiples en las masas y distancia del sistema planetario.
Los resultados de los equipos en OGE-2012-BLG-0950L b se publican en la edición de diciembre del Astronomical Journal.
En este resumen observamos tres cosas en este descubrimiento:

• Las características de la estrella y del planeta están mucho mejor determinadas en el segundo trabajo.
•  El método para medir la masa del exoplaneta es nuevo y tendrá una futura aplicación.
• Hace mención a un resultado estadístico de Daisuke Suzuki que sugiere que la teoría de acreción del núcleo puede necesitar una revisión.

Aparna Bhattacharya, investigadora postdoctoral de la Universidad de Maryland y el centro de vuelo de Space Space de la NASA (GSFC), dirigió al equipo que hizo el descubrimiento, que se anunció el 8 de enero de 2019 durante una conferencia de prensa en la 233ª reunión de la Sociedad Astronómica Americana en Seattle. Para ello se usó la cámara infrarroja, del instrumento de segunda generación (NIRC2) en el telescopio KEK II de 10 metros del Observatorio W. M. KKE en Maunakea, Hawai y la de amplio campo WFC3 en el telescopio espacial Hubble. Los investigadores tomaron imágenes simultáneas de alta resolución del exoplaneta, llamado OGE-2012-BLG-0950L b, lo que les permite determinar su masa. Nos sorprendió ver que la masa sale justo en medio de la brecha de masas. ¡Es como encontrar un oasis en medio del desierto de exoplanetas! dijo Bhattacharya. Por su parte el coautor David Bennett dijo: Me encantó ver la rápidez con que Aparna completó el análisis. Tenía que desarrollar algunos métodos nuevos para analizar estos datos, un tipo de análisis que nunca antes había sido hecho. Bennett es un científico de investigación senior de la Universidad de Maryland.
En el caso de OGLE-2012-BLG-0950L b, la luz de una estrella del fondo distante se magnificó por OGLE-2012-BLG-0950L (la estrella que hospeda al exoplaneta) en el curso de dos meses transcurridos cerca de la alineación perfecta en el cielo con la estrella del fondo.
Analizando la luz cuidadosamente durante la alineación, se observó una alteración inesperada con una duración de aproximadamente un día, revelando la presencia del planeta por su propia influencia en la lente.

Fig. 5 El planeta OGE-2012-BLG-0950L b se detectó a través de microlente gravitacional, un fenómeno que actúa como una lupa en la naturaleza. Crédito: LCO / D. Bennett

Para medir la masa del planeta se utilizó una nueva técnica que será una parte clave de la próxima misión de Wide Field Infra-Red Survey Telescope (WFIRST) de la NASA, que está programado para ser lanzado a mediados de 2020. Ese instrumento podrá usar la misma técnica de microlente  para identificar y medir la masa de los planetas, y lo hará para cientos de mundos muy distantes de sus estrellas. Esas mediciones, a su vez, pueden revelar otros aspectos débiles en nuestra comprensión de cómo forman los planetas dijo Aparna Bhattacharya. Hasta que WFIRST este activo, debemos desarrollar este método con observaciones de nuestro programa Keck Key Strategic Mission Support (KSMS), así como las observaciones de Hubble dijo Bennett. 

La falta de tales planetas en nuestro propio Sistema Solar lo más probable es que se deba al azar o a un accidente, y la falta de tales planetas en general es porque son realmente difíciles de detectar. Sólo hay una técnica lo suficientemente potente como para identificar a los planetas que órbita más allá de lo que los astrónomos llaman la línea de hielo, donde el material suelto en un sistema solar joven está lo suficientemente lejos de su sol para que los materiales como el agua pueden congelarse dijo Bennett.

La teoría de acreción de gas predice que los planetas como OGE-2012- BLG-0950L b deben ser raros. A 39 veces la masa de la Tierra, los planetas deberían continuar su etapa de rápido crecimiento, para terminar en un planeta mucho más masivo.

Por casualidad, otro equipo de astrónomos (que incluyó a Bhattacharya y Bennett) publicó casi el mismo tiempo un análisis estadístico que muestra que los planetas de masa intermedia no son raros después de todo. El autor principal Daisuke Suzuki del Instituto de Espacio y Ciencia Astronáutica de Japón dijo: Estábamos terminando el análisis cuando nos enteramos de las medidas de masa de OGEL-2012- BLG-0950L b. Este planeta confirmó nuestra interpretación del estudio estadístico.

Todos los planetas de masa intermedia más allá de la línea de nieve en el estudio estadístico se detectaron a través de microlente, el único método actualmente lo suficiente sensible como para detectar los planetas con menos en la masa de Saturno en órbitas similares a Júpiter.

9.- Estadística por lente gravitatoria de los exoneptunos fríos

Para el estudio estadístico, el equipo de Suzuki y MOA analizaron las propiedades de 30 planetas de masa intermedia encontrados por microlente comparándolos con las predicciones de la teoría de la acreción del núcleo. El estudio estadístico se publicó en el número del 20 de diciembre en The Astrophysical Journal Letters y presentado en la 233ª reunión de la SAA.

El trabajo de la distribución de las masas se llama Microlensing Results Challenge the Core Accretion Runaway Growth Scenario for Gas Giants del que es primer autor Daisuke Suzuki.

Compara la distribución de masas de los 30 planetas medida por microlente gravitatoria con las predicciones de la teoría de acreción en modelos de formación planetaria. La teoría de acreción del núcleo predice una disminución de planetas de masa intermedia que no se observa en los resultados de microlente. En particular, los modelos predicen ~10× menos planetas a las proporciones de masa entre planeta y estrella de 10⁻⁴<q<4×10⁻⁴ que el que se infiere de las observaciones por microlente. Esta discrepancia implica que la formación de gigante de gas puede implicar procesos que se han pasado por alto en los modelos de acreción básicos existentes, o que el entorno de formación del planeta varía considerablemente como una función de la masa de estrella que hospeda los planetas. La variación de las suposiciones usuales para la viscosidad de disco protoplanetario y su espesor podría reducir esta diferencia, pero esto podría chocar con los resultados de microlente a una razón de masa más grandes o más pequeñas, o con otras observaciones.

10.- Resumen: Cuestionando detalles de la formación de los gigantes de gas

El método de microlente es el único con sensibilidad para detectar planetas de masas intermedias como OGE-2012-BLG-0950L b que órbita más allá de la línea de hielo de sus estrellas. La línea de hielo, es la distancia en un sistema planetario joven, en el que hace el frío suficientemente para que el agua se condensara en hielo. Según la teoría de acreción los planetas como OGE-2012-BLG-0950L b deberían ser 10 veces menos abundantes que lo observado porque a partir de un núcleo de 20 Mt la acreción de hidrógeno y helio se acelera exponencialmente. La teoría de acreción actual sugiere que este proceso se detiene cuando el suministro de gas está agotado. Si esto ocurre antes de que el gigante de gas se forme, obtenemos un planeta gigante de gas fallido con masas de 10-20 masas de la Tierra (como Neptuno). Este nuevo resultado sugiere que la teoría de acreción de planetas gigantes puede necesitar una revisión.

Proxima b el exoplaneta más cercano ¿altamente habitable?

El artículo TheClosest Exoplanet to Earth Could Be Highly Habitable es la divulgación del artículo científico titulado Habitable Climate Scenarios forProxima Centauri b with a Dynamic Ocean de Anthony D. Del Genio et. al. y que fue publicado el 5 de septiembre de 2018 en journal de Astrobiology y del que al ser de pago sólo hemos podido acceder al resumen.

Del Genio y sus colaboradores se dedican a modelar el clima en exoplanetas y en este sentido el artículo es realmente interesante. Del resumen que dan los propios autores en la introducción hablaremos brevemente luego. El artículo de divulgación del trabajo que se extendió rápidamente a través de Scientific American y Live Science ha hecho un flaco favor a los autores del artículo en especial su título sensacionalista. En España llegó a través de Europa Press y ABC.

Como dice Elizabeth Tasker (en Twitter) publicado el 16 sept. 2018 en Google + y titulado We need to talk about Proxima Centauri b. Again : Básicamente, estoy de acuerdo con las primeras cinco palabras del titular y el artículo de Del Genio simplemente no dice que Proxima b sea realmente "altamente habitable".

Cuando en 2016 el catalán Guillem Anglada-Escudé (Twitter) profesor de Astrofísica en la Universidad Queen Mary de Londres descubrió Proxima b por el método de la velocidad radial, del que ya hemos hablado se levantó una tremenda expectación:

Se había descubierto un planeta de masa terrestre en la estrella más próxima al Sol y encima en su zona habitable. Rápidamente se plantearon mil viajes imposibles con la tecnología actual. La imaginación es libre y siempre vuela alto....

El exoplaneta se descubrió usando el espectrógrafo HARPS (High Accuracy Radial velocity Planet Searcher) del telescopio de 3,6 metros de La Silla y el espectrógrafo UVES (Ultraviolet and Visual Echelle Spectrograph) del telescopio VLT, ambos en Chile. Para descubrir Proxima Centauri b fueron necesarios 16 años de observaciones. El planeta tiene un movimiento de traslación de 11,18 días. Es decir su año dura 11,18 días. Probablemente su rotación dure el mismo tiempo como en el caso de nuestra Luna y presente la misma cara a su sol.

Para excluir la posibilidad de que lo observado no fuera la actividad repentina característica de las enanas rojas, se monitorizó la cambiante luminosidad de la estrella usando muchos telescopios de todo el mundo. Las estrellas enanas rojas como Proxima son muy ruidosas, es decir, su luminosidad varía tanto que la detección de planetas pequeños es harto complicada. No en vano Proxima es una estrella variable que se denomina V645 Centauri.

Como puede verse en los datos de la tabla 1, por su distancia y duración del año el planeta está en la zona habitable y, aunque no se ha detectado el tránsito y por tanto se desconoce su tamaño y densidad, su masa, aun siendo una cota mínima, es suficientemente pequeña para que tenga una alta probabilidad de ser rocoso. ¿Pero cuál es esa probabilidad?

Todo depende de la inclinación i de la órbita de Proxima b respecto a nuestra visual. Si i=90º y exactamente vemos al planeta de frente, la masa mínima es la masa verdadera y el planeta transita. También transita si el valor es muy próximo a 90º. No hemos observado tránsitos. Todos los ángulos de inclinación son igualmente probables. A medida de la inclinación disminuye, la masa verdadera aumenta. Para i=45º la masa verdadera sería 1,796 Mt (masas terrestres), y si fuese rocoso, su densidad media sería un 13,3% mayor que la terrestre por la mayor compresión de los materiales y el radio 1,166 Rt (radios terrestres). Si el radio es mayor que 1,5Rt la probabilidad de que no sea rocoso aumenta mucho, entonces su masa sería 4,803 Mt y la inclinación 15,33º. Así que la probabilidad de que sea rocoso es mayor del 83% dado que con valores mayores a ese radio la probabilidad de ser rocoso no es nula y podría llegar, como veremos luego, al 94,5%.

Para el mínimo de masa de Proxima b (1,27Mt) su radio es un 6,3% mayor y la aceleración de la gravedad es un 12,3% mayor que la de la Tierra. Una mayor gravedad lleva a que el planeta sea capaz de retener más gases y tiende a engrosar la atmósfera. Por lo tanto es bastante probable que Proxima b tenga atmósfera si no influyen otros hechos.
Además, si el aumento de la masa es excesivo para el rango de temperaturas efectivas 220–240ºK en que se mueve Proxima b el planeta sería capaz de retener los gases más ligeros como el hidrógeno y el helio y el planeta sería un gigante de gas como Neptuno y en absoluto un mundo rocoso. Esto ocurriría con seguridad para una inclinación de 5º, así que la probabilidad de que le ocurra a Proxima b es escasa de un 5,5%.
Otra medida que es posible actualmente hacer es la cantidad de energía que el planeta recibe de su estrella Proxima. Esta enana roja tiene un 12% de la masa del Sol y tiene un radio del 14% de la solar. Su temperatura es aproximadamente la mitad de la solar. Por las leyes del cuerpo negro emite por unidad de superficie (½)⁴=1/16 de lo que emite el Sol y además el máximo de la radiación tiene una longitud de onda que es el doble de la longitud del máximo solar, que se halla a 5.014 Å, en el rango visible. Este se extiende desde 4.000 Å hasta 7.400 Å. Como la temperatura superficial de Proxima es la mitad de la solar el máximo cae por los 10.000 Å, más allá del visible, en el infrarrojo cercano.
Al ser la superficie de la estrella un 2% de la superficie solar y emitir 1/16 por unidad de superficie en realidad la estrella emite aproximadamente 1/800 de la energía que emite el Sol en la unidad de tiempo. Esto se llama luminosidad y vale 0,00155 la solar. Esta luminosidad se distribuye uniformemente por el espacio y disminuye por tanto con el cuadrado de la distancia. El planeta se halla a menos de 20 veces la distancia de la Tierra al Sol, exactamente a 0,0485 U.A. (1 unidad astronómica es la distancia Sol-Tierra), así que a pesar de ser la luminosidad muy pequeña, el planeta Proxima b recibe en la parte superior de su supuesta atmósfera una cantidad de energía que es 0,00155/0,0485²=0,659 la energía que recibe la Tierra, lo que lo ubica en la llamada Zona habitable. Es decir la zona en que si hubiera agua estaría en estado líquido. Esto no significa en modo alguno que la haya. Como comparación Marte se halla a 1,52 U.A. así que la energía que le llega del Sol es 1/1,52²=0,433 y se considera que está en la zona habitable. Resumiendo Marte recibe el 43% y Proxima b el 66% de la energía que recibe la Tierra.
No se debe confundir la temperatura efectiva con la real de la superficie. La Tierra pasa de una temperatura efectiva de –19ºC a una temperatura media real en su superficie de +15ºC. Esto supone que nuestra atmósfera nos calienta (efecto invernadero) 34ºC y nos permite vivir cómodamente en un porcentaje relativamente alto de la superficie del planeta. La temperatura efectiva de Marte es de sólo –58ºC y la tenue atmósfera apenas cambia esta temperatura aumentándola en unos 5ºC. La temperatura efectiva en Proxima es de unos –39ºC (aunque podría ir de –53ºC a –33ºC). Las condiciones en la superficie de Proxima b son desconocidas. Intuimos una atmósfera más densa así que en el peor de los casos, si existiera una atmósfera con las características de la terrestre, su temperatura superficial media sería de unos –19ºC.
Sobre la existencia de agua el propio Anthony D. Del Genio tiene dudas sobre la retención de agua por Proxima b. Ello no le impide suponer legítimamente la existencia de un océano pues está en una simulación, es decir que ocurriría si.......

Proxima b no es una segunda tierra. Debido a la escasa distancia que la separa de su estrella es casi seguro que presentará acoplamiento de marea (resonancia spin-órbita 1:1) lo que significa que su periodo de rotación coincidiría con el de traslación y siempre mostraría el mismo hemisferio hacia Proxima. En una mitad del planeta siempre sería de día y en la otra mitad reinará una oscuridad perpetua. Debido al acoplamiento de marea, las zonas climáticas en Proxima b no estarían condicionadas por la latitud, como en la Tierra, sino por la distancia al centro del hemisferio diurno, el llamado punto subestelar. Este punto sería el más cálido, mientras que a medida que nos alejamos hacia el terminador o frontera entre el día y la noche, la temperatura media bajaría considerablemente. Esto haría pensar en un hemisferio abrasado en el que la atmósfera se evaporase, y el otro congelado. Sin embargo, una atmósfera más densa que la de la Tierra permitiría reducir esas temperaturas extremas a través de la circulación atmosférica que causa la redistribución del calor.

Otra cosa que se desconoce es la edad de Proxima. Junto con el par a Cen (A,B),  Proxima (a Cen C) forma un sistema triple. El par  a Cen (A,B),  giran entre sí en una órbita de 79,91 años, acercándose a un mínimo de 11,2 U.A., aproximadamente la distancia media entre el Sol y Saturno, mientras que la distancia máxima es de 35,6 U.A. (aproximadamente la distancia entre el Sol y Plutón). Ambas giran entorno al centro de masas del sistema y, como tienen masas parecidas, éste es un punto casi equidistante entre ellas. Sus edades son similares y un poco mayores que el Sol, unos 6.000 millones de años, lo que hace pensar que ambas estrellas se formaron juntas.

La tercera componente Alfa Centauri C llamada Próxima Centauri es una estrella enana roja de tipo espectral M5 y magnitud visual +11,05. Los científicos le asignan una edad de unos mil millones de años mucho más joven que el par AB. Se creía que Próxima Centauri no formaba originalmente parte del sistema y que fue capturada temporalmente por las otras dos. La separación media entre Próxima y Alpha Centauri AB es aproximadamente de 0,06 parsecs, 0,2 años luz o 13.000 U.A., equivalente a 400 veces el tamaño de la órbita de Neptuno. No se conocen datos orbitales, sólo que posiblemente gira alrededor de Alfa Centauri A+B con un período de cerca de 500.000 años o más.

En febrero de 2017 tras el interés provocado por el exoplaneta Proxima b y tras cien años desde el descubrimiento de Próxima Centauri, tres astrónomos, Pierre Kervella, Frédéric Thévenin y Christophe Lovis, han llegado a la conclusión de que las tres estrellas efectivamente forman un sistema único. Nuestro trabajo demostró que Próxima está unida gravitacionalmente a las estrellas Alfa Centauro A y B formando un sistema triple, explicó Kervella, quien procesó la información espectroscópica. La baja emisión de luz ha hecho muy difícil medir la velocidad con la que se acerca o aleja de la Tierra, La nuevos datos, obtenidos con el buscador de planetas de ESO-Harps, sugieren de manera contundente que Próxima Centauri y el dúo Alfa Centauri tienen la misma edad (aproximadamente 6 mil millones de años), y de esta forma se proporciona una estimación bastante precisa de la edad del planeta en órbita, Próxima b.

La otra fuente de información la facilita la excentricidad de la órbita del planeta que Guillem Anglada-Escude acota en 0,34. Es decir que e<0,34. Una cota superior significa que la excentricidad es menor que 0,34 pero puede ser 0. Algo que a veces se olvida.

Según Ignaci Ribas, director del Institut d’Estudis Espacials de Catalunya, una excentricidad de 0,34 produciría un calentamiento por efecto marea de 2,5 W/m2, algo parecido a la de Io, la luna de Júpiter abrasada por la actividad volcánica. Una excentricidad de 0,097 produciría aproximadamente 0,07 W/m2, comparable al inducido por las mareas de la Luna en el manto de la Tierra.

En diciembre de 2016 un trabajo sobre Proxima b de Damasso y Del Sordo logran en una nueva modelización del ruido de la estrella y reducen la cota a e<0,17. Las órbitas de planetas tan cercanos a su estrella deberían sufrir un efecto de circularización más o menos intenso, que eliminase la excentricidad y Meadows establece un periodo de 3.000 millones de años, la mitad de la edad de a Cen (A,B) para ello. Con una excentricidad de 0,17 Proxima b desarrollaría una actividad volcánica elevada, más intensa que la terrestre.

La posibilidad más lógica, si Proxima b presenta una excentricidad importante, es que haya más planetas en el sistema, planetas aún no detectados que afectan gravitatoriamente a Proxima b. Otra explicación es la interacción con Alfa Centauri A y B que están relativamente lejos de Proxima. Las estimaciones de Ignaci Ribas  son que este efecto nunca produciría una excentricidad mayor de 0,1 compatible con la cota observada de 0,17. Según Ribas et al. si la excentricidad fuese menor que 0,06 la resonancia sería 1:1 con un hemisferio siempre de día y el otro siempre de noche. Pero si la excentricidad fuese mayor que 0,06 Proxima b podría tener otra resonancia entre su periodo de traslación y el de rotación. Para Ignaci Ribas, una excentricidad cercana a 0,17 sería similar a la de Mercurio que es 0,21 y causaría una resonancia spin-órbita 3:2 similar a la de Mercurio que rota 3 veces por cada 2 órbitas. Esto haría que el día durase en Proxima b 7,45 días. El planeta no tendría un hemisferio siempre al sol y otro siempre a oscuras. El sol saldría y se pondría y el planeta sería más habitable. Pero ten presente que 0,17 es una cota y es compatible con e=0. Así que la duración de día es desconocida. No se sabe si la resonancia es 1:1 o 3:2 y todo depende del valor real de la excentricidad que es desconocido. Anthony D. Del Genio adopta en su simulación una resonancia 3:2 y está en su derecho: Es una simulación.....

Uno de los grandes problemas para la vida en un sistema planetario alrededor de una enana roja serían sus erupciones de rayos X y de radiación ultravioleta que emite su estrella, mucho más intensas que la que experimenta la Tierra respecto al Sol. Al estar tan cerca de la estrella, el planeta tendrá unos flujos de rayos X 400 veces superiores a los de la Tierra. Si todo fuese correcto para que se desarrollase la vida,  los potente rayos X que emite la estrella, podría dar al traste con ella y lo peor todavía está por venir.

Fig. 1 Como todas las enanas rojas, Proxima Centauri emite potentes fulguraciones que hacen aumentar de brillo la estrella repentinamente en un 10% y emiten enormes cantidades de rayos X (Pale Red Dot).

En noviembre de 2017 tras estudiar el sistema de Proxima con el radiotelescopio submilimétrico ALMA se detectó que el sistema contiene varios anillos de material y polvo que quizás se correspondan con un cinturón de asteroides y dos cinturones de Kuiper. ALMA detectó también una fuente puntual a 240 millones de kilómetros (1,6 U.A. período orbital de 5,8 años) de la estrella que podría corresponderse con el polvo procedente del material situado en los puntos de Lagrange L4 y L5 de la órbita de un planeta gigante no detectado o, se trata simplemente de una concentración de material aleatoria en el cinturón. Este segundo cinturón de Kuiper resultaría difícil de explicar de acuerdo con los modelos de formación planetaria. No nos vamos a extender con detalles sobre estos cinturones porque ¡no existen!.

ALMA detecta intensas llamaradas en la estrella Proxima Centauri

A finales de febrero de 2018, un equipo de astrónomos publicó que el 24 de marzo del 2017 hubo una fuerte llamarada en Proxima Centauri. Los investigadores descubrieron la enorme fulguración tras volver a analizar las observaciones realizadas desde el 21 de enero al 25 de abril de 2017 por ALMA y ACA a 233 GHz (1,3 mm). Cuando alcanzó su máxima intensidad, la llamarada fue 10 veces más brillante que las llamaradas más grandes producidas por nuestro Sol observadas en longitudes de onda similares. La llamarada duró aproximadamente 1 minuto y alcanzó una densidad de flujo máxima de 100 mJy e incrementó el brillo de Proxima Centauri en 1.000 veces durante 10 segundos. Ello representa una disminución en la magnitud de la estrella de 7,5 unidades. Como su magnitud es 11, durante 10 segundos su magnitud fue de 3,5 visible a simple vista. Antes hubo una llamarada más pequeña, y juntando los dos episodios, el fenómeno total duró menos de 2 minutos en las 10 horas de observaciones realizadas por ALMA entre enero y abril del año pasado.

El hallazgo, publicado en The Astrophysical Journal Letters fue realizado por el equipo de  Meredith MacGregor, astrónomo del Departamento de Magnetismo Terrestre de la Carnegie Institution for Science, en Washington. Cuando MacGregor, quien dirigió la investigación con su colega Alycia Weinberger analizaron los datos como una función del tiempo de observación, en vez de un promedio total, pudieron detectar las fugaces explosiones de radiación emitidas por Proxima Centauri.

No hay razón para pensar que hay cantidades sustanciales de polvo alrededor de Proxima Cen. Tampoco hay información que indique que esta estrella tiene un sistema planetario complejo como el nuestro, afirma Weinberger. Todo puede explicarse por una fulguración ocurrida el 24 de Marzo de 2017. Lo siento pero así avanza la ciencia.

Fig. 2 El brillo de Proxima Centauri observado por ALMA durante los dos minutos del evento del 24 de marzo de 2017. La señal luminosa estelar del pulso está en rojo junto con una señal luminosa anterior más pequeña en naranja, y la emisión normal de la estrella en azul. En su máximo, la señal luminosa aumentó el brillo de Proxima Centauri en 1.000 veces. El área sombreada representa la incertidumbre. Crédito: Meredith MacGregor, Carnegie.

Es probable que Proxima b haya recibido intensos golpes de radiación durante esta llamarada, explica Meredith MacGregor, y agrega que ya se sabía que Proxima Centauri experimentaba regularmente llamaradas de rayos X, aunque más pequeñas. Esto pone en entredicho las posibilidades de que haya vida en el exoplaneta más cercano a nuestro Sistema Solar, conocido como Proxima b, que orbita alrededor de Proxima Centauri. Debido a que Proxima b está veinte veces más cerca de su estrella que la Tierra del Sol su intensidad fue unas (10x20²=4.000) cuatro mil veces mayor que la fulguración más potente registrada en la Tierra procedente del Sol. Durante los miles de millones de años que transcurrieron desde que se formó Proxima b, estas llamaradas pudieron haber evaporado cualquier atmósfera u océano y esterilizado la superficie, lo cual significa que las condiciones de habitabilidad pueden depender de más factores que la simple distancia entre el planeta y su estrella y la presencia de agua líquida.

El satélite canadiense MOST detectó, en 37 días de observación, 66 fulguraciones de Proxima en el espectro visible. La actividad de Proxima es más elevada que la de otras enanas rojas similares y quizá en su juventud esto fue peor. Los investigadores no han logrado llegar a un consenso a la hora de explicar por qué Proxima tiene tantas fulguraciones pese a que su periodo de rotación es relativamente elevado de ~83 días. Otras enanas rojas, como TRAPPIST-1, y sobre todo Ross-128 son mucho más tranquilas.

Cuando Del Genio hizo su simulación esto ya se sabía y de ahí mi enfado. Sólo había trascurrido poco más de medio año desde que Meredith MacGregor y MOST se llevaron nuestras esperanzas. No es razonable hacer una simulación climática que supone la existencia de un océano y una resonancia spin-órbita 3: 2, una salinidad que descienda el punto de congelación y una muy probable circulación entre la parte diurna y nocturna. Son muchas suposiciones y olvidando los datos objetivos. Podría no tener atmósferas, ni océano y una resonancia 1:1. La inexistencia de atmósfera podría causarla un débil o inexistente campo magnético en Proxima b debido a la lenta rotación del planeta y fundamentalmente a las fulguraciones que como dice Meredith MacGregor pudieron haber evaporado cualquier atmósfera u océano y esterilizado la superficie. Otro factor clave para comprender la habitabilidad de Proxima b es la relación existente entre estas fulguraciones y las eyecciones de masa coronal (CMEs). Las partículas de las CMEs más violentas pueden arrasar de forma mucho más efectiva la atmósfera de un planeta que la radiación ionizante emitida durante una fulguración. Aunque las fulguraciones suelen ir acompañadas de CMEs, se desconoce la relación precisa entre ambos fenómenos en las enanas rojas.

El artículo The Closest Exoplanet to Earth Could Be Highly Habitable es para mí altamente una noticia falsa y tendenciosa. El  artículo de Elizabeth Tasker peca de decir que no se sabe casi nada de Proxima b y ello es una visión simplista. Como dicen en mi pueblo en el punt mitjà està la veritat. Su estimación del 25% para que Proxima b no sea rocoso a mi modo de ver es errónea pues no tiene en cuenta la mayor compresión del material a medida que es más masivo.

Quizá alguien le conceda más importancia a Del Genio que a MacGregor. Soy el primero que desearía que Proxima fuese una estrella tranquila y se encontrasen señales de vida pero una cosa son los deseos y otra los hechos. Habrá que esperar más hechos o quizá Trappist-1.......