Estamos cada vez más cerca de detectar de forma fiable biofirmas en planetas distantes. Se presta mucha atención a determinar qué sustancias químicas indican la presencia de vida.
Pero la vida también puede crear energía libre en un sistema, y el exceso de energía puede crear desequilibrios químicos. Esto es lo que sucedió en la Tierra cuando la vida existía. ¿Puede el desequilibrio químico ser una firma biológica?
Cuando un sistema tiene exceso de energía, aparece como equilibrio químico. Cada planeta es un sistema y la vida puede generar un exceso de energía. Entonces, si buscamos un equilibrio químico, ¿estamos buscando una firma biológica? ¿Estamos buscando vida? tal vez Especialmente si estamos ante un exoplaneta con una Tierra muy primitiva.
Una nueva investigación aborda esta cuestión. Se titula «Inferir biofirmas de desequilibrio químico para exoplanetas proterozoicos similares a la Tierra». La autora principal es Amber Young, del Departamento de Astronomía y Astronomía de la Universidad del Norte de Arizona. Este artículo se encuentra ahora en preimpresión.
«Cuando se trata de determinar si un mundo distante es habitable, los desequilibrios químicos son un indicador potencial de vida que tiene una larga historia de estudio en la atmósfera de los planetas del Sistema Solar», escriben los autores en su artículo.
Cuando tanto metano (CH4) como oxígeno (O2) están presentes en la atmósfera, es una indicación de que hay vida en acción. Esto se debe a que, en una atmósfera de oxígeno, el metano sólo dura 10 años. Su presencia indica desequilibrio. Para que exista, debe reponerse constantemente en la cantidad que sólo la vida puede producir.
El concepto de Gibbs de energía libre intenta captar esta idea. Cuando un sistema alcanza el equilibrio químico, el potencial termodinámico disminuye. Cuanto más lejos esté un sistema del equilibrio químico, más energía libre de Gibbs tendrá.
«Una métrica básica para cuantificar los desequilibrios químicos implica calcular las diferencias en las sustancias químicas.
La energía asociada con un sistema observable y el estado de equilibrio teórico de ese sistema», explican los autores. Los investigadores están explorando cómo pueden utilizar la energía libre de Gibbs para comprender el mundo en nuestro sistema solar. Más importante aún, los investigadores trabajan para comprender cómo esto puede aplicarse a la historia de la Tierra.
Esta investigación se centra en el Eón Proterozoico, el tercero de los cuatro eones de la Tierra. Abarca desde hace 2.500 millones de años hasta hace 541 millones de años e incluye dos eventos críticos en la historia de la Tierra. El oxígeno libre aparece en la atmósfera de la Tierra ya en el Proterozoico, y el Proterozoico termina justo antes de que aparezca la vida compleja.
El obstáculo para utilizar la métrica de Gibbs como biofirma es que no sabemos cuál es la incertidumbre observacional cuando intentamos comprenderla en exoplanetas como la Tierra. En esta investigación, similar a la Tierra significa «un mundo con forma de Tierra, que contiene océanos, con presiones y temperaturas en la superficie similares a las de la Tierra y una atmósfera dominada por N2, H2O y CO2, con cantidad de CH4 y con diferentes niveles de O2». explican los autores.
Los científicos entienden poco sobre la Tierra durante la Era Proterozoica, aunque, por supuesto, quedan muchas preguntas sin respuesta. En un intento por comprender parte de su incertidumbre observacional, los investigadores modelaron dos escenarios diferentes para la Tierra y uno para Marte. Cada escena contiene una cantidad diferente de energía atmosférica libre. Luego descubrieron cómo las atmósferas de cada uno de estos planetas simulados reflejarían la luz en diferentes escenarios: gases de alta, media y baja bioseñal en la atmósfera.
El resultado fueron los espectros de luz que podemos observar en las atmósferas de exoplanetas que imitan tres casos diferentes de las Tierras Proterozoicas.
longitud de onda en µm, y el eje y representa el flujo del planeta a la estrella. La idea es que si observamos espectros de planetas distantes, cualquier cosa similar a una Tierra Proterozoica podría tener espectros similares. En la leyenda superior derecha, las sustancias químicas enumeradas y ‘x2’ indican la precisión requerida para observar cada especie química. Todavía no tenemos la precisión necesaria, pero los futuros telescopios la tendrán. Crédito de la imagen: Young et al. 2023.
«Limitar la energía libre de Gibbs disponible es una estrategia de caracterización prometedora que encaja bien.
con técnicas establecidas para la detección de gases con firmas biológicas”, concluyeron los autores. Pero para aprovechar ese potencial, necesitamos mejores telescopios con mejor rendimiento de señal a ruido (SNR). Y, con suerte, están en camino.
Construido sobre el concepto LUVOIR-B con características de ruido para un telescopio espacial de 6 m, el caso de alta SNR explorado aquí puede adquirir objetivos similares a la Tierra alrededor del anfitrión solar a distancias de 5 a 7 pc (16 a 23 años luz). con una inversión de 2 a 4 semanas de tiempo de observación”, explican los autores. Aunque esto pueda parecer un tiempo de observación largo, está en línea con el tiempo de observación objetivo esperado con el concepto de telescopio HabEx. Y un posible exoplaneta proterozoico similar a la Tierra es un objetivo de gran valor que merece mucho más tiempo para observarlo. ¿Hay algo más que el telescopio espacial deba priorizar? No es probable.
«Desde un punto de vista observacional, es importante caracterizar la abundancia de CH4 y O2.
«La señal de la Tierra del desequilibrio químico atmosférico ha sido análoga durante la mayor parte de su historia evolutiva», escriben los autores.
Aunque tendemos a normalizar todo lo que vemos a nuestro alrededor, el estado actual del planeta no es «normal». La Tierra fue diferente durante la mayor parte de su historia. Tiene sentido buscar planetas que sean similares a cómo era la Tierra durante el Proterozoico. El Proterozoico duró dos mil millones de años y la vida dio forma activa al medio ambiente durante este período. Si tenemos la suerte de descubrir otro exoplaneta que sustenta vida, entonces, por pura casualidad, es probable que se parezca más a una Tierra Proterozoica que a una Tierra moderna.
