sábado, 29 de octubre de 2011

Cómo detectar vida más allá del sistema Solar.

¿Es la vida un fenómeno único en el Universo?

¿Está la Galaxia repleta de mundos donde 
abundan organismos de todo tipo? 

Existen pocas preguntas más profundas e importantes para el ser humano, pero lamentablemente el estado de la tecnología actual no permite una respuesta clara a estas cuestiones. ¿O sí? 

Cuando hablamos de estudiar vida más allá del Sistema Solar,
 el primer requisito que se nos viene a la cabeza es la construcción 
de enormes y exóticas naves interestelares capaces de cruzar el abismo
 que nos separa de las estrellas. 

Por desgracia, está claro que la humanidad necesitará décadas
 o siglos para crear semejantes artefactos. 

Pero en realidad no hace falta construir ninguna nave gigantesca,
 porque uno de los secretos mejor guardados de la astronomía moderna
 es que hoy en día disponemos de la tecnología para detectar vida en mundos situados a decenas de años luz que giran alrededor de otras estrellas. 

Sí, como lo oyen, vida en planetas más allá del Sistema Solar.

De entre todos los exoplanetas descubiertos hasta la fecha, sólo hemos encontrado dos mundos rocosos situados en la zona habitable de su estrella, HD 85512 b y Gliese 581 d, pero sólo es cuestión de tiempo antes de que este número aumente de forma significativa.

 ¿Cómo podremos averiguar si existe vida en ellos?
¿Podemos estudiar los mundos habitables desde la Tierra?


Señales de vida

Por supuesto, si el proyecto SETI descubre alguna señal alienígena no necesitaremos seguir buscando, pero mientras los hombrecillos verdes deciden si se manifiestan o no, no nos queda más remedio que aguzar la imaginación.


Uno de las técnicas más exitosas empleadas en la búsqueda de exoplanetas es el método del tránsito. 

Aunque con este método somos incapaces de "ver" directamente el planeta,
 lo realmente interesante es que podemos medir la contribución del brillo 
del planeta a la luz que proviene de la estrella.

 Y luz es todo lo que necesitan los astrónomos para averiguar la naturaleza 
de un astro. 

Porque la luz de un objeto puede descomponerse en un espectro que delate
 la presencia de los compuestos químicos que están presentes.

Dependiendo del telescopio empleado y el sistema estelar que queramos estudiar, gracias al método del tránsito se pueden detectar algunas moléculas claves en la atmósfera de los exoplanetas. 

Pero lo que realmente queremos es analizar la atmósfera de exotierras, 
es decir, mundos rocosos con una masa inferior a 10 veces la de nuestro planeta situados en la zona habitable de su estrella.

Ahora imaginemos que descubrimos una exotierra y que somos capaces
 de obtener un espectro decente de su atmósfera. 

¿Qué evidencias tenemos que buscar 
para asegurarnos de que existe vida?

 Lo primero es buscar la presencia de determinadas sustancias denominadas "biomarcadores", o sea, moléculas asociadas a la existencia de formas de vida similares a las terrestres. 

Existen muchos biomarcadores en la atmósfera de un planeta habitable, pero la mayoría resultan invisibles si los observamos a varios años luz de distancia. 

Por este motivo nos tenemos que limitar a al "triplete de la vida": 

oxígeno, ozono y metano.

Adicionalmente podemos buscar la presencia de dióxido de carbono y agua, que aunque no son biomarcadores, juegan un papel fundamental
en la biosfera terrestre. 

El agua y el dióxido de carbono son además importantes gases de efecto invernadero y por lo tanto resultan claves a la hora de estimar la temperatura superficial del planeta objeto de nuestro estudio.
Biomarcadores en el espectro de la atmósfera de la Tierra visto por la Mars Express (ESA).

Algunas moléculas en los planetas del Sistema Solar (NASA).

El oxígeno es un biomarcador obvio, especialmente si tenemos en cuenta 
que el oxígeno de la atmósfera terrestre proviene de la actividad biológica fotosintética y se considera una molécula esencial para el desarrollo
 de formas de vida complejas.

 Eso sí, a la hora de detectar vida en otros planetas bien podríamos estar ante un planeta repleto de organismos que no utilizan el oxígeno en su metabolismo.

 O bien puede darse el caso de un exoplaneta con formas de vida que emplean el oxígeno, pero que habitan un mundo con una atmósfera en la que este gas no esta presente. No debemos olvidar que la atmósfera de la Tierra
 no presentó una alta concentración de oxígeno hasta hace 
dos mil millones de años.
La composición de la atmósfera de la Tierra ha variado con el tiempo.

Sea como sea, debemos ser cuidadosos, ya que el oxígeno se puede generar también al romperse las moléculas de agua por acción de la luz ultravioleta (fotodiscociación). 

De esta forma, un planeta en las primeras etapas de un efecto invernadero descontrolado como el que experimentó Venus podría presentar indicios de oxígeno abiótico en su atmósfera. 

También nos podemos imaginar una supertierra sin vida cubierta por extensas superficies de hielo en la cual el oxígeno generado por fotodisociación no podría oxidar la superficie rocosa del planeta. 

Como resultado, el oxígeno se acumularía en la atmósfera a pesar 
de no existir vida.

Por este motivo se considera el ozono un biomarcador más fiable 
que el oxígeno, ya que a pesar de ser mucho menos abundante, resulta 
más fácil de detectar que el oxígeno si observamos en el infrarrojo. 

Su presencia delataría además la existencia de una concentración considerable de oxígeno molecular y lo que es más importante, constituye
 la principal defensa contra la radiación ultravioleta de una estrella, 
una defensa fundamental si queremos que evolucionen organismos fuera
 de los océanos. 

Al igual que el oxígeno, el ozono se puede crear mediante mecanismos abióticos, por ejemplo, por la fotodisociación de dióxido de carbono o agua (de hecho, se ha detectado ozono en Marte). 

Pero en este caso estamos hablando de concentraciones muy bajas que serían prácticamente invisibles en un exoplaneta habitable observado 
a gran distancia.

El metano es otro biomarcador estrella, ya que se genera como resultado
 de la descomposición anaeróbica y la interacción con el oxígeno (de hecho, ambas moléculas se destruyen mutuamente).

A semejanza del oxíegno, es un gas inestable que necesita ser repuesto continuamente, por lo que su presencia sólo puede explicarse por la existencia de vida o de vulcanismo. 

Y efectivamente, aunque los volcanes también inyectan cantidades importantes de metano en la atmósfera de la Tierra,
 la detección simultánea de oxígeno y metano en una exotierra sería
 una fuerte evidencia a favor de la presencia de formas de vida.

Otros biomarcadores interesantes son el clorometano (CH3Cl)y el óxido 
de nitrógeno (N2O), aunque su detección en otros mundos
 resulta mucho más compleja. 

Todos estos biomarcadores resultan especialmente atractivos 
si los observamos en el infrarrojo, donde existen varias líneas espectrales
muy marcadas que los delatan. 

Además, la diferencia entre la luz proveniente de un exoplaneta y su estrella es mucho menor en el infrarrojo que en el visible, lo que permite obtener espectros más detallados en estas longitudes de onda.

Resumiendo, si en la atmósfera de un exoplaneta detectamos las líneas infrarrojas del ozono (9,6 micras), metano (7,66 micras), agua (6-8 micras)
 y dióxido de carbono (15 micras), podremos decir con total seguridad que estamos ante un mundo habitable y casi con toda probabilidad habitado.

El espectro de la atmósfera de un planeta nos permite determinar su habitabilidad (NASA).

La influencia de la luz estelar y el color de la flora alienígena

Los biomarcadores no son la única herramienta que podemos usar para determinar la existencia de vida. 

Otra posibilidad es utilizar el color de la sustancia más importante relacionada con la vida en este planeta. 

Nos referimos, claro está, a la clorofila.

 Lo curioso es que en el infrarrojo la reflectividad de esta sustancia
 es cinco veces superior a la que encontramos en el visible, un mecanismo evolutivo que evita el sobrecalentamiento de las plantas y demás organismos fotosintéticos que usan este pigmento.

Debido a esta característica, en el infrarrojo cercano (700 nm) se observa un incremento en la emisión proveniente de las masas vegetales de la Tierra.

 Es el llamado "límite rojo" de la vegetación y se emplea para medir la cobertura forestal en fotografías tomadas desde aviones o satélites. 

No hace falta decir que su detección en un exoplaneta sería todo un bombazo. 

En el caso de un planeta como la Tierra, la contribución del "límite rojo"
 al espectro es de un 0-5% (depende de las nubes), lo suficientemente alto para ser detectado con futuros instrumentos de muy alta resolución.
El "límite rojo" de la clorofila en el espectro infrarrojo de la Tierra (NASA).

Pero claro, la clorofila es un pigmento que está adaptado a la luz de nuestra estrella. 

El color verde de esta sustancia no es casualidad.

 La luz del Sol tiene un pico de emisión en las longitudes de onda del verde y amarillo, así que lo lógico sería esperar que la clorofila tuviese un color rojizo. 

Sin embargo, el vapor de agua en la atmósfera terrestre absorbe longitudes
 de onda del infrarrojo, mientras que el oxígeno y el ozono hacen lo propio con el ultravioleta y el azul. 

Como resultado, el máximo de la luz solar cuando llega a la superficie está desplazado desde el amarillo al rojo, de ahí que la clorofila absorba 
los fotones azules (muy energéticos) y rojos (poco energéticos pero muy numerosos), reflejando los fotones verdes que le dan su color característico.

Así que lo lógico sería esperar que los pigmentos de las plantas alienígenas tuviesen distintos colores en función de la luz de la estrella madre.

 Las estrellas ligeramente más brillantes que el Sol (tipo F) emiten más cantidad de fotones azules y ultravioletas, de ahí que las hipotéticas plantas que existiesen en mundos que girasen a su alrededor serían de color naranja
 o rojo. De igual modo, la flora de mundos situados en sistemas con estrellas más frías (tipo M) sería probablemente negra, para aprovechar así al máximo la radiación infrarroja de estos astros.

Densidades de flujo de fotones  para la Tierra (línea amarilla) y otros planetas similares alrededor de estrellas de tipo F (más calientes que el Sol) y de varios tipos K y M (más frías).

Por tanto, no solo tendremos que buscar distintos "límites rojos" en otros mundos, sino que deberemos modificar nuestra estrategia para buscar biomarcadores. 

Por ejemplo, en el caso de exoplanetas alrededor de estrellas de tipo F, 
una hipotética capa de ozono sería más densa, pero también sería más difícil de detectar al estar situada más cerca de la superficie, ya que el contraste térmico sería menor.

 Por contra, las capas de ozono en mundos situados en estrellas más frías serían más tenues, pero debido a su contraste podrían detectarse con mayor facilidad.
El espectro de la Tierra y las bandas de los biomarcadores en dos espectros de distinta resolución. Las bandas muestran las regiones a estudiar por las misiones TPF y Darwin (NASA).


¿Un futuro brillante? 

En 1990 la sonda Galileo sobrevoló la Tierra camino a Júpiter. 
Esta oportunidad sería aprovechada por un equipo de científicos liderado
 por el mítico Carl Sagan que decidió usar los datos de la nave para realizar
 un curioso experimento: comprobar si era posible detectar señales de vida terrestre desde el espacio. 

Es decir, usaron la Galileo como si fuese una sonda alienígena. 

El resultado no fue concluyente, aunque la presencia de oxígeno, metano, agua (en los tres estados distintos), dióxido de carbono y ozono,
 más la contribución del "límite rojo" de la clorofila hicieron "sospechar" 
a los investigadores que la Tierra podría ser un mundo habitado (obviamente, en este experimento no se tuvieron en cuenta las señales de radio provenientes del planeta azul y de origen claramente artificial).
La Tierra vista por la sonda Galileo en 1990 (NASA).

Lo fascinante es que en los próximos años podremos realizar este experimento no con la Tierra, sino con exoplanetas reales. Las misiones TPF (Terrestrial Planet Finder) de la NASA y la Darwin de la ESA tenían que haber llevado
 a cabo esta tarea, pero desgraciadamente ambas duermen ahora el sueño
 de los justos por culpa de los omnipresentes recortes presupuestarios. 

Estos proyectos hubiesen sido capaces de "ver" directamente exotierras y analizar sus atmósferas sin necesidad de utilizar el método del tránsito.

 Otras misiones, como el telescopio James Webb o EChO podrán paliar
 en parte el desastre que ha supuesto la cancelación del TPF, aunque su futuro tampoco está nada claro.

Estudiar la vida en otros sistemas solares no parece que esté actualmente entre las prioridades de nuestra civilización.

Para terminar, me gustaría que contemplases esta imagen con atención:

Se trata de una simulación informática que nos muestra cómo se vería la Tierra a diez años luz de distancia con un hipertelescopio formado por 
150 observatorios espaciales, cada uno equipado con un espejo de tres metros. El coste de semejante proyecto sería faraónico, sin duda, pero dudo que superase la factura de la guerra de Irak, por citar alguna de las más costosas aventuras de los últimos años.

En el futuro no nos limitaremos a ver mundos alienígenas como simples puntos azules, sino que iremos más allá, mucho más allá. 

Seremos capaces de realizar mapas de la superficie de las exotierras, estudiar su clima e incluso sus hipotéticas masas forestales. 

¿Acaso existe algo más espectacular?

 Estamos ante una oportunidad única en la historia de la Humanidad. 
Por primera vez disponemos de la tecnología para construir instrumentos capaces de explorar otras tierras sin movernos del Sistema Solar.

 El sueño de cualquier astrónomo hecho realidad. 

Paradójicamente, nuestros políticos no parecen estar muy interesados. 

¿Seremos capaces de aceptar el reto?
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