Sondeando la posibilidad de vida en las “Súper-Tierras”

Además de su función estética de ayudar a crear la gloriosa aurora boreal o luces del norte, el potente campo magnético que rodea a nuestro planeta tiene un valor práctico bastante importante:  hace posible la vida .

Desviando las partículas cargadas dañinas del Sol y los rayos cósmicos que bombardean constantemente el planeta, y evitando que el viento solar erosione la atmósfera, el campo magnético de la Tierra ha permitido que las formas de vida multicelulares  incluyendo los seres humanos se desarrollasen y sobreviviesen.

Los campos eléctricos y corrientes magnéticas en y alrededor de la Tierra generan fuerzas complejas que tienen un impacto inconmensurable en la vida cotidiana. El campo puede ser pensado como una enorme burbuja, que nos protege de la radiación cósmica y de las partículas cargadas que bombardean la Tierra en los vientos solares. Crédito: ESA / Medialab ATG .

Y ahora, con el descubrimiento de miles de planetas más allá del Sistema Solar, conocidos como exoplanetas, los científicos están ansiosos por saber si las “súper-Tierras” rocosas, planetas  hasta 10 veces más masivos que la Tierra, también podrían ser capaces de albergar vida.

El histograma muestra el número de planetas por tamaño, de todos los exoplanetas conocidos. Las barras azules en el histograma representan todos los exoplanetas conocidos, por tamaño, antes del anuncio de Kepler de la bonanza de exoplanetas el 26 de Febrero de 2014. Las barras color oro en el histograma representan planetas verificados recientemente por Kepler. Obsérvese que la categoría “Súper- Tierras” (1.25 – 2 radios terrestres) es la que más ha aumentado. Sus masas llegan a ser hasta de 10 masas terrestres, (ver gráfico , distribución Masa-Radio). Crédito de la imagen: NASA Ames/ W Stenzel. Última actualización: 21 de Noviembre, 2016. Otro gráfico.

“Encontrar exoplanetas habitables es uno de los tres principales objetivos de las comunidades de Ciencia y Astronomía Planetaria”, dijo el Físico Rick Kraus del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore. “Con estos descubrimientos vienen muchas preguntas: ¿Cómo lucen  estos nuevos planetas?, ¿es nuestro Sistema Solar único?, ¿es única la Tierra?, o más específicamente, ¿es la Tierra el único mundo habitable???”.

Estas cuestiones han inspirado una campaña  National Ignition Facility (NIF) Discovery Science  dirigida a determinar si los planetas gigantes rocosos podrían tener campos magnéticos similares al de la Tierra. Poseer una atmósfera, un clima templado y agua líquida se consideran por lo general  requisitos esenciales para que la vida tal como la conocemos, evolucione, pero la presencia de un campo magnético es igual de importante, dijo Kraus. “La presencia de una Tectónica de Placas activa y una magnetosfera son considerados  dos requisitos para que un exoplaneta rocoso sea habitable”, dijo. “Un ambiente estable y libre de radiación ionizante en la superficie, es una de las cualidades más importantes de un planeta para su habitabilidad.”

El campo magnético de la Tierra se genera cuando las corrientes de convección en el núcleo externo de hierro líquido del planeta se retuercen por la rotación del planeta, creando un magneto-dinamo que produce la magnetosfera (los dinamos convierten la energía mecánica en energía eléctrica o en este caso, en magnetismo). Un planeta con un núcleo sólido no puede  generar un campo magnético, y por lo tanto es poco probable que albergue vida tal como la conocemos.

“Necesitamos entender la transición a la fusión en los núcleos de hierro con el fin de determinar si es también posible tener un núcleo externo líquido y un núcleo interno sólido dentro de una super-Tierra”, dijo Kraus.

 

Figura Izquierda: Las distintas capas del interior de la Tierra. En el núcleo exterior líquido, donde la convección turbulenta da lugar a  patrones de circulación complejos, es donde se genera el campo geomagnético. Más información. Crédito: Scientific American – Gary A. Glatzmaier, Peter Olson.

Figura arriba-derecha: Un diagrama esquemático que ilustra la relación entre el movimiento del fluido conductor, organizado en rollos por la fuerza de Coriolis, y el campo magnético que dicho movimiento genera. Más información. Crédito: USGS. Pero investigaciones llevadas acabo en el 2012 conducen a nuevos planteamientos.

La  curva de Fusión es crítica.

“Las presiones interiores en las súper-Tierras son tan extremas, hasta 35 millones de veces la presión atmosférica (de la Tierra), que tenemos muy poca información acerca de cómo podrían  comportarse en realidad los materiales dentro de ellos”, agregó. “La curva de fusión del hierro es crítica para abordar la cuestión de si una super-Tierra podría tener una magnetosfera protectora. Es la solidificación inducida por la presión en el  hierro, la que libera el calor latente  que impulsa el flujo convectivo complejo en el núcleo de un planeta.”

El equipo de investigación está utilizando una plataforma experimental NIF llamada TARDIS (target diffraction in situ, observar la Difracción en el momento y lugar ) para estudiar la curva de fusión del hierro a presiones que varían de cinco a 20 Megabares (de cinco a 20 millones de atmósferas de la Tierra). El diagnóstico de la difracción de rayos X con TARDIS  está diseñado para arrojar luz sobre los cambios de fase, o transiciones estructurales entre estados de la materia, que se producen en los materiales bajo tales presiones y temperaturas extremas (véa el artículo:  “NIF’s TARDIS Aims to Conquer Time and Space”).

(Izquierda). El paquete NIF TARDIS que contiene la muestra de material, el objetivo de fuente de rayos x en un tallo, y las placas de imagen para capturar los conos de difracción de rayos x en el interior del cartucho semiesférico. (Derecha). Los datos de difracción obtenidos durante un experimento de noviembre de 2014 en el que una ejecución de la muestra se comprimió a aproximadamente 3,5 Mbar. TARDIS es el primer proyecto para incluir un objetivo NIF y de diagnóstico en una sola plataforma, integrada. Crédito: Lawrence Livermore National Laboratory.

La campaña se basa en una técnica experimental novedosa desarrollada en el Centro Láser Omega en la Universidad de Rochester. Los investigadores golpean una muestra de hierro por lo que se licúa a 2,5 Mbar y a continuación, realizan una  compresión en rampa (no por choque sino progresiva) para comprimirla a 10 Mbar. La difracción de rayos X in situ, es en la actualidad el medio más aceptado para medir fusión y solidificación, utilizándose para confirmar que el primer choque funde el material y la onda de compresión en rampa posterior  provoca que se re-solidifique (a diferencia de la compresión por choque, la compresión en rampa mantiene baja la temperatura de la muestra y permite el estudio de la materia comprimida a densidades extremas).

“Los experimentos también representan un avance significativo sobre lo que puede ser explorado de la fusión del hierro mediante experimentos de compresión estática”, dijo el investigador principal de la campaña, Russell Hemley de la Universidad George Washington (enlace es externo), director del Carnegie/DOE Alliance Center  ( CDAC). “Esos experimentos hasta la fecha se han limitado a presiones de aproximadamente 3 Mbar – o sea las presiones del núcleo de la Tierra – y han sido motivo de controversia. De ahí que los nuevos resultados también mejorarán nuestra comprensión de la esencia de nuestro propio planeta, así como también proporcionarán  información crucial sobre la naturaleza de las Súper-Tierras y su potencial habitabilidad “.

“Una forma de pensar en este experimento,” dijo Kraus , “es que usamos la onda de choque para crear un estado térmico denso y caliente en el hierro, similar al que existe en el hierro líquido del núcleo exterior de una super-Tierra. A continuación, mediante el proceso de compresión por rampa (compresión gradual, no por impacto) del hierro simulamos el camino termodinámico que  experimentaría una parcela de hierro en el proceso de convección que la lleva a la profundidad dentro del núcleo líquido de una super-Tierra. Con la difracción de rayos X, se puede responder directamente a la pregunta de si la parcela de hierro  solidificaría cuando  alcanza una profundidad prescrita “.

NIF es la única instalación capaz de alcanzar y sondear estos estados extremos de la materia. Los experimentos requieren de intensidad alta y sostenida de energía sólo alcanzable en NIF, y la capacidad de conformación de impulsos única del láser permite la compresión en rampa del hierro de 5 a 20 Mbar. Le fueron otorgados fondos para la campaña para seis días “de tiro” en los años fiscales 2016-2018, suficiente para 12 experimentos.

“Si observamos la solidificación – por difracción de rayos X del hierro solidificado – en la escala de tiempo mucho más corta de un experimento con láser”, dijo Kraus, “entonces sabemos que la curva de fusión es lo suficientemente  empinada para tener un núcleo sólido interno y un núcleo externo líquido, lo que podría habilitar  un magneto-dínamo  dentro de las súper-Tierras. Entonces, nuestro objetivo es explorar los diferentes estados de entropía, o perfiles de temperatura, que se pueden conseguir en los núcleos de las  súper-Tierras y el sondeo de la ruta  termodinámica tomada por una parcela de hierro líquido descendente. Este descubrimiento sería un paso fundamental en la determinación de los tipos de planetas fuera del Sistema Solar que podrían ser habitables “.

Quienes llevan la campaña junto con Kraus y Hemley son Ronald Cohen de la Institución Carnegie de Washington, Sarah Stewart de la Universidad de California en Davis y Jon Eggert y Dayne Fratanduono de LLNL. Otros participantes del LLNL en los experimentos y análisis son Marius Millot, Federica Coppari, Jim Mcnaney, Amy Jenei, Chris Wehrenberg, Damian Swift, Jon Belof, Lorin Benedict y Sebastien Hamel.

Los experimentos NIF apoyan a la Administración Nacional de Seguridad Nuclear (NNSA) en el  Programa de Administración de Almacenamiento para garantizar, la seguridad y la fiabilidad de la disuasión nuclear de la nación, mientras que también proporciona a los científicos de todo el mundo  condiciones únicas de temperatura y presión para los estudios fundamentales de  ciencia. CDAC es apoyado por el Programa de Manejo Academic Alliance Ciencias de la NNSA.

Fuente del artículo: Lawrence Livermore National Laboratory.  Artículo original: “Probing the possibility of life on ‘super-Earths” –Charlie Osolin.

Material relacionado: 

• El Interior de los Planetas. En laboratorios y ordenadores, la materia comprimiday sometida a ondas de choque se vuelve metálica,engendra diamantes y nos descubre un centro de la Tierra al blanco vivo. Sandro Scandolo y Raymond Jeanloz, Investigación y Ciencia Nº 336, Sept., 2004.

• Earth’s Magnetic Field provides vital protection, ESA_Cluster.

• The unexpected ingredient necessary for Life, By Marcus Woo, BBC Earth.12 January 2017.

• Planetary Evolution and  Life: Astrobiology from a Planetary Tectonics Perspective. T. Spohn, DLR, Institute of Planetary Research, Berlin, Germany, Editado por Jean-Pierre de Vera, Joseph Seckbach.

• Interior and Surface Dynamics of Terrestrial Bodies and their Implications for the Habitability, Lena Noack , Doris Breuer. Book Chapter of  Habitability of Other Planets and Satellites. Springer, 2013.

• Mistery at the Center of the Earth. New research attempts to unravel the paradoxical past of the planet’s magnetic field.  Thomas Sumner. Science News, Sept. ,2015.

• The paradox powering Earth’s magnetic field, Marcus Woo, New Scientist, January 2017. Disponible en Timbó bajo el título: “Earth’s Ghostly Guardian”.

•  The Geodynamo’s unique longevity. Peter Olson.  Physics Today

• “Quartz” crystals at the Earth’s core power its magnetic field,  Tokyo Tech.

• New theory explains how Earth’s inner core remains solid despite extreme heat, Anatoly Belonoshko, KTH Royal Institute of Technology, Stockholm, Sweden. February, 2017.

• Ramp compression of diamond to five terapascals, R. F. Smith, J. H. Eggert, R. Jeanloz, Nature 511, 330–333 (17 July 2014) doi:10.1038/nature13526.

Colecciones de artículos sobre el Núcleo terrestre en las revistas:

• Eos

• Nature

• Science

Sobre exoplanetas:

Una recopilación de recursos sobre los Exoplanetas se encuentra en el apartado “Material relacionado” de los artículos:

• A sólo 20 años del descubrimiento del primer exoplaneta,  AAA.

• Investigando el misterio de la migración de los Júpiter Calientes,  AAA.

•  El sitio de Exoplanetas  de la NASA: Exoplanet exploration, NASA.

• El sitio de Exoplanetas  de la Unión Europea: The Extrasolar Planets Encyclopaedia, que está disponible en varios idiomas, en particular, en Español.

Sobre la estructura de la Tierra:

El lector encontrará material al respecto en

• Geodinámica. La Tierra – Orígen y Constitución, Prof. Mg. Jorge Alfredo ALBERTO .  Ing. Guillermo Antonio ARCE  Prof. Claudia Ver Prof. Claudia Verónica GOMEZ. Revista Geográfica Digital. IGUNNE. Facultad de Humanidades. UNNE. Año 10. Nº19. Enero -Junio 2013. ISSN 1668-5180 Resistencia, Chaco.

Sobre la Tectónica de Placas:

• Geology – Plate Tectonics.

• Earth Sciences Concepts – Plate Tectonics, USGS.

• Evidence falls into place for once and future supercontinents, From Nuna to Amasia, researchers are finding new clues to supercontinents comings and goings. Alexandra Witze. Science News, January 11, 2017.

• Paleomagnetic Data Hint at Link from Earth’s Core to Continents,  Bas den Hond, Eos-AGU,  15 June 2017

• A window for plate tectonics in terrestrial planet evolution?. Craig O’Neill. et al., Physics of the Earth and Planetary Interiors, Volume 255, June 2016, Pages 80-92, Elsevier, 2016.

• Planetas Terrestres, Jonathan Estévez-Fernández. Universidad Complutense de Madrid.

Una recopilación de recursos específicamente sobre Geomagnetismo se encuentra en el apartado “Material relacionado” del artículo: 

• La parte superior del campo magnético de la Tierra revela detalles de un pasado dramático,  ESA/Swarm, AAA.

• Probing the Geodynamo, Gary A. Glatzmaier, Peter Olson. Scientific American.

Una recopilación de recursos sobre los Campos Magnéticos de los Planetas, el Viento Solar, las Auroras en los planetas, el Tiempo Espacial se encuentra en el apartado “Material relacionado” del artículo:

• Tiempo Espacial: No hay Manchas Solares, pero tampoco tenemos un Sol Inactivo, AAA.

• Magnetospheres, cosmic rays and the interplanetary medium. Van Allen, J. A. (1990). In ‘‘The New Solar System’’ (Beatty and Chaikin, eds.). Sky Publishing, Cambridge,

• Planetary Magnetospheres, Book Chapter 21 of “Encyclopedia of the Solar System“, Chapter 21 Authors: Margaret Kivelson and Fran Bagenal. Encyclopedia Editors: Paul R. Weissman, Lucy-Ann McFadden, Torrence V. Johnson, Academic Press, Nov. 2000. También puede verlo aquí.

• Magnetic Field Generation in Planets, Sabine Stanley, Chapter 6 of “Encyclopedia of the Solar System“. Editors: Tilman Spohn, Doris Breuer, Torrence V. Johnson. Third edition, 2014.

• Planetary Magnetospheres: Van Allen Belts of Solar System Planets. Stamatios M. Krimigis. Van Allen Day Symposium, Van Allen Hall, University of Iowa, 2004.

Física de Altas Presiones:

• Daniel Errandonea: Materials under Pressure, by Jade Holt, JPhys+, on January 22, 2016.

• Más duro que el diamante, Daniel Errandonea, Investigación y Ciencia, Dic. 2009.

• Celda de Yunque de Diamante, Wikipedia.

• The Diamond Anvil Pressure Cell,  Gasper Piermarini and Stanley Block. Scientific American. (La primera Celda de Yunque de Diamante).

• Investigación en materiales sometidos a altas presiones, Fallas, Juan Carlos., Chandra Dhanesh., Covington, Aaron y Emmons, Erik,Tecnología en Marcha, Vol. 23, N.° 2, Abril-Junio 2010, P. 39-46.

• Materials Under Extreme Conditions. Search for new materials and phases under high pressure and large plastic shear.College of Engineering Research, Iowa State University.

• Compressing materials under extreme conditions, Sandia National Laboratories.

• Laser induced Shock Waves, Thomas Pezeril, Université Le Mans. 

• Materials under extreme conditions. Laser-induced focusing shock waves , The Keith Nelson Group, .

• High-pressure physics: Testing one’s metal, Andrew P. Jephcoat, Nature Materials10,904–905(2011)doi:10.1038/nmat3189, Nov. 2011.

• High-pressure physics: Piling on the pressure, Chris J. Pickard, & Richard J. Needs, Nature 511,294–295 (17 July 2014) doi:10.1038/511294a.

• Uno de los objetivos más importantes del estudio de las altas presiones, fue conseguir Hidrógeno Metálico, un estado especial  superconductor del Hidrógeno cuando es sometido a elevadísimas presiones y temperaturas, tal como ocurre en el interior de Júpiter,  el  cual da orígen al enorme campo magnético del planeta gigante. El advenimiento de la misión JUNO de la NASA, puso mucha presión (por la competencia) entre todos los equipos de investigación en el mundo dedicados al  tema y quienes primero llegaron a obtener una muestra del preciado material fue el equipo de la Universidad de Harvard:

  Avance en la Física de Alta Presión: Científicos de Harvard anuncian que han creado hidrógeno metálico, que hasta ahora había sido sólo una teoría. AAA.

• Una lista de Links sobre las Sociedades Profesionales, Laboratorios, Recursos y Journals dedicados a Altas Presiones es la de: “The European High Pressure Research Group”.

Libros:

Libros sobre la Habitabilidad:

• The Geomagnetic Field and Life, A. Dubrov, Springer, 1978. Disponible en Timbó.

• Habitability of Other Planets and Satellites. Editado por Jean-Pierre de Vera, Joseph Seckbach, Springer, 2013. Es el libro de referencia. Disponible en Timbó.

Libros sobre Física de Alta Presión:

• High-Pressure Physics, John Loveday. Editor: Chapman and Hall/CRC, October 12, 2016.

• Science and Technology of High Pressure: Proceedings of AIRP-17, Vol. I. Editado por Murli H. Manghnani,W. J. Nellis,Malcolm, 1999.

Libros sobre Téctónica de Placas:

• The Dynamics Earth. The History of Plate Tectonics. USGS. 

• Plate Tectonics. Continental Drift and Mountain Building, Wolfgang Frisch, Martin Meschede, Ronald C. Blakey. Springer, 2011.

•  Plate Tectonics: An Insider’s History Of The Modern Theory Of The Earth,  Naomi Oreskes, Westview Press, 2003.

• The Rejection of Continental Drift: Theory and Method in American Earth Science, Naomi Oreskes , Oxford University Press, 1999.

Libros sobre el orígen de las Magnetosferas en los planetas y su descripción en cada uno de ellos:

• Encyclopedia of the Solar System“,  Editors: Paul R. Weissman, Lucy-Ann McFadden, Torrence V. Johnson, Academic Press, Nov. 2000. También puede verlo aquí.

• Encyclopedia of the Solar System“. Editors: Tilman Spohn, Doris Breuer, Torrence V. Johnson. Elsevier,Third edition, 2014.

• Introduction to Planetary Sciences, The Geological Perspective. Gunter Faure , Teresa Mensing, Springer, 2007. Disponible en Timbó

Videos: 

• El Magnetismo Terrestre, sus variaciones y sus consecuencias sobre la humanidad y los seres vivos. Documental.

• La Increible Magnetósfera Terrestre. Documental.

•  Magnetism Matters,  Harvard – Smithsonian Center for Astrophysics (cfa) Colloquium/Dr. Sarah Gibson (NCAR/HAO), March, 2015.

• Life Beyond the Earth. Lecture at the opening of the UK Centre for Astrobiology (University of Edinburgh), National Museum of Scotland, Christopher McKay, April 2013.

• Habitable Moons in our Solar System and Beyond, San Francisco Amateur Astronomers, by Christopher McKay, Aug. 2015. 

• PLANETAS HABITABLES EN EL ESPACIO HD. Documental.

• Rocky Super- Earths: Plate Tectonics and Habitability, The Kongsberg seminar, Center for “Physics of Geological Processes” (PGP),University of Oslo, Diana Valencia (Massachusetts Institute of Technology), Aug. 22, 2012.

     Videos Sobre Altas Presiones:

Un curso completo sobre las  tecnologías de las altas presiones y sus aplicaciones en Física, Química, Geociencias, Ciencia de Materiales, etc.,  es el que se ofreció como parte del proyecto MALTA en el MALTA Consolider Ingenio 2010: Matter at High Pressure, en la “Summer Under  Pressure School ” (SUPS), un curso de verano para estudiantes. Hemos seleccionado algunos de los videos del  curso:

•  Introduction. General Aspects, V.G. Baonza – SUPS School, Sept., 2016.

•   High Pressure Techniques, K. Kamenev – SUPS School, Sept., 2016.

•  Geosciences & Mineralogy, M. Mattesini – SUPS School, Sept., 2016.

La Edición 2017 del SUPS a cargo de la Universidad Complutense de Madrid (UCM) tendrá lugar en El Escorial, Madrid, del 17 al 21 de Julio.