Los mundos alienígenas del tamaño de la Tierra están allí afuera. Ahora, los astrónomos están descubriendo cómo detectar la vida en ellos.

Stephen Kane pasa mucho tiempo mirando malas imágenes de un planeta. Las imágenes tienen sólo unos pocos píxeles de ancho y casi sin rasgos distintivos. Sin embargo, Kane, un Astrónomo de la Universidad de California, Riverside, ha rastreado cambios sutiles en los píxeles a lo largo del tiempo. Son suficientes para él y sus colegas para concluir que el planeta tiene océanos, continentes y nubes. Que tiene estaciones. Y que gira una vez cada 24 horas.
Él sabe que sus hallazgos son correctos porque el planeta en cuestión es la Tierra. Kane tomó imágenes del satélite del Observatorio Climático desde el Espacio Profundo, que tiene una cámara que apunta constantemente a la Tierra desde una posición intermedia entre nuestro planeta y el Sol, y las ha degradado intencionalmente desde 4 millones de píxeles a sólo un puñado. Las imágenes son un vislumbre de un futuro en el que los telescopios podrán distinguir planetas rocosos del tamaño de la Tierra alrededor de otras estrellas. Kane dice que él y sus colegas están tratando de descubrir «lo que podemos esperar ver cuando finalmente podamos obtener una imagen directa de un exoplaneta». Su ejercicio muestra que incluso unos pocos píxeles preciosos pueden ayudar a los científicos a hacer el diagnóstico definitivo: ¿alberga vida un planeta ?
Encontrar evidencia concluyente de vida, o biofirmas, en un planeta a años luz de distancia puede parecer imposible, dado que las agencias espaciales han gastado miles de millones de dólares enviando sondas roboticas a cuerpos mucho más cercanos que podrían ser habitables, como Marte y las lunas de Saturno, sin detectar siquiera un soplo de vida. Pero los astrónomos esperan que un verdadero gemelo de la Tierra, lleno de flora y fauna, revele sus secretos incluso a un observador distante.
Detectarlos no será fácil, considerando la escasa cosecha de fotones que los astrónomos probablemente obtendrán de un mundo tan pequeño y distante, estando su señal casi inundada por su estrella cercana mucho más brillante. La nueva generación de telescopios espaciales que se dirigen hacia la plataforma de lanzamiento, incluido el gigantesco Telescopio Espacial James Webb (JWST) de la NASA, tiene sólo una pequeña posibilidad de sondear un gemelo de la Tierra con suficiente detalle. Pero podrán tomar muestras de luz de una gama de otros planetas, y los astrónomos ya están soñando con un telescopio espacial que podría producir una imagen de un planeta similar a la Tierra tan buena como las vistas pixeladas  de la Tierra, de Kane . Para prepararse para la inminente inundación de datos de exoplanetas, y ayudar a los diseñadores de telescopios a saber qué buscar, los investigadores ahora están compilando listas de posibles biofirmas,
Es poco probable que haya una sóla biofirma. En cambio, el contexto y múltiples líneas de evidencia serán clave para la detección de vida extraterrestre. Encontrar un gas- específico,  por ejemplo oxígeno, en una atmósfera alienígena no es suficiente sin saber cómo pudo haberse  producido el gas. Saber que la temperatura promedio del planeta es compatible con el agua líquida es un comienzo, pero la duración del día y las estaciones del planeta y sus temperaturas extremas también cuentan. Incluso la comprensión de la estrella del planeta es imprescindible, para saber si proporciona luz constante y nutritiva o ráfagas impredecibles de radiación dañina.
«Cada [observación] proporcionará evidencia crucial para reconstruir y decir si hay vida», dice Mary Voytek, directora del Programa de Astrobiología de la NASA en Washington, DC.

Una imagen (izquierda) tomada por el satélite del Observatorio Climático del Espacio Profundo , degradada a un puñado de píxeles (derecha), es un sustituto de cómo podría verse un planeta similar a la Tierra alrededor de otra estrella a través de un futuro telescopio espacial. NASA EPIC TEAM; STEPHEN KANE.
En los embriagadores días posteriores al descubrimiento del primer exoplaneta alrededor de una estrella normal en 1995, las agencias espaciales trazaron planes para misiones extremadamente ambiciosas y costosas para estudiar gemelos terrestres que podrían albergar vida. Algunos conceptos para el Buscador de Planetas Terrestres de la NASA y la misión Darwin de la Agencia Espacial Europea contemplaron múltiples telescopios gigantes volando en formación precisa y combinando su luz para aumentar la resolución. Pero ninguna de las misiones salió de la mesa de dibujo. «Era demasiado pronto», dice Voytek. «No teníamos los datos para planificarlo o construirlo».
En cambio, los esfuerzos se centraron en explorar la diversidad de exoplanetas, utilizando tanto telescopios terrestres como misiones como la nave espacial Kepler de la NASA. En total, han identificado más de 3500 exoplanetas confirmados, incluidos unos 30 mundos del tamaño de la Tierra capaces de retener agua líquida. Pero tales encuestas les dan a los investigadores solo la información física más básica sobre los planetas: sus órbitas, tamaño y masa. Para descubrir cómo son los planetas, los investigadores necesitan espectros: luz que ha pasado a través de la atmósfera del planeta o ha sido reflejada desde su superficie, y descompuesta  en sus longitudes de onda componentes.
La mayoría de los telescopios no tienen la resolución necesara para separar un diminuto y oscuro planeta de su estrella, que es al menos mil millones de veces más brillante. Pero incluso si los astrónomos no pueden ver un planeta directamente, aún pueden obtener un espectro si el planeta transita o pasa frente a la estrella en el curso de su órbita. A medida que el planeta transita, la luz de la estrella brilla a través de su atmósfera; los gases allí absorben longitudes de onda particulares y producen caídas (descensos pronunciados) en ciertas longitudes de onda características en el espectro de la estrella.
Los astrónomos también pueden estudiar un planeta en tránsito observando la luz de la estrella mientras la órbita del planeta lo lleva detrás de la estrella. Antes de que el planeta se eclipse, el espectro incluirá la luz de la estrella y la luz reflejada desde el planeta; después, la contribución del planeta desaparecerá. Restar los dos espectros debería revelar rastros del planeta.
Tomar una señal reconocible de los datos no es nada fácil. Debido a que sólo una pequeña fracción de la luz de la estrella atraviesa la atmósfera de un exoplaneta, la señal espectral es minúscula y difícil de distinguir de las irregularidades en la luz estelar y de la absorción de la atmósfera de la Tierra. La mayoría de los científicos estarían «sorprendidos de cuán horribles son los datos», dice la investigadora de exoplanetas Sara Seager del Instituto de Tecnología de Massachusetts en Cambridge.
A pesar de esos obstáculos, los telescopios espaciales Hubble y Spitzer, más algunos otros, han utilizado estos métodos para detectar gases atmosféricos, incluidos sodio, agua, monóxido y dióxido de carbono y metano, de entre un puñado de los objetivos más fáciles. La mayoría de los exoplanetas estudiados son «Júpiter calientes«: grandes planetas en órbitas muy cercanas a su estrella, con sus atmósferas infladas por el calor de la estrella.

Representación artística, en donde se muestra un dispositivo con bordes en forma de pétalos que vuela a una distancia de decenas de miles de kilómetros de un telescopio espacial y bloquea la luz de una estrella, permitiendo una clara visión de sus planetas. NASA/JPL.
El enfoque pagará dividendos mucho mayores después del lanzamiento del JWST en 2019. Su espejo de 6.5 metros recogerá mucha más luz de las estrellas candidatas que los telescopios existentes, lo que le permitirá extraer «firmas» de exoplanetas más débiles, y sus espectrógrafos producirán mucho mejores datos. Y será sensible a las longitudes de onda infrarrojas donde las líneas de absorción de moléculas como el agua, el metano y el monóxido y el dióxido de carbono son las más prominentes.
Una vez que los astrónomos tienen tales espectros, uno de los principales gases que esperan encontrar es el Oxígeno. No sólo tiene líneas de absorción fuertes y distintivas, sino que muchos creen que su presencia es la señal más fuerte de que la vida existe en un planeta.
La fotosíntesis productora de oxígeno convirtió a la Tierra en lo que es hoy en día. Las primeras cianobacterias en los océanos y luego otros microbios y plantas han bombeado oxígeno durante miles de millones de años, de modo que ahora constituye el 21% de la atmósfera, una abundancia que sería fácilmente detectable desde lejos. La fotosíntesis es la «aplicación asesina» de la evolución, dice Victoria Meadows, directora del Virtual Planet Laboratory (VPL) patrocinado por la NASA en la Universidad de Washington en Seattle. Utiliza una fuente prolífica de energía, la luz solar, para transformar dos moléculas, que se cree que son comunes en la mayoría de los planetas terrestres (agua y dióxido de carbono), en combustible azucarado para la vida multicelular. Meadows cree que es una apuesta segura que algo similar ha evolucionado en otros lugares. «El oxígeno sigue siendo lo primero que hay que buscar», dice.
Hace quince años, cuando los exoplanetas eran nuevos y los investigadores comenzaron a pensar en cómo escanearlos para buscar vida, «Champagne habría fluido» si se hubiera detectado oxígeno, recuerda Meadows. Pero desde entonces, los investigadores se han dado cuenta de que las cosas no son tan simples: los planetas sin vida pueden tener atmósferas llenas de oxígeno y la vida puede proliferar sin producir el gas. Ese fue el caso en la Tierra, donde, durante 2 mil millones de años, los microbios practicaron una forma de fotosíntesis que no produjo oxígeno u otros  gases. «Hemos tenido que hacernos más conscientes de cómo podríamos ser engañados», dice Meadows.
Para saber cómo se vería una auténtica firma biológica y qué podría ser una falsa alarma, Meadows y sus colegas del VPL exploran modelos de computadora de atmósferas de exoplanetas, basados ​​en datos de exoplanetas y observaciones de planetas más familiares, incluida la Tierra. También hacen experimentos físicos en cámaras de vacío. Recrean los cócteles gaseosos que pueden rodear a los exoplanetas, los iluminan con luz estelar simulada de varios tipos y observan lo que se puede medir.
En los últimos años, los investigadores de VPL han utilizado dichos modelos para identificar procesos no biológicos que podrían producir oxígeno y producir una señal de «falso positivo». Por ejemplo, un planeta con abundante agua superficial podría formarse alrededor de una estrella que, en sus primeros años, aumenta de brillo, tal vez calentando al joven planeta lo suficiente para hacer hervir  sus océanos. La intensa luz ultravioleta de la estrella bombardearía el vapor de agua resultante, tal vez dividiéndolo en hidrógeno y oxígeno. El hidrógeno más ligero podría escapar al espacio, dejando una atmósfera rica en oxígeno alrededor de un planeta desprovisto de vida. «Conoces tu estrella, conoces tu planeta», recuenta Siddharth Hegde, del Instituto Carl Sagan de la Universidad de Cornell.
Sin embargo, descubrir Metano en el mismo lugar en que se dtecta  Oxígeno fortalecería el caso de la posible existencia de vida. Aunque los procesos geológicos pueden producir metano, sin necesidad de vida, la mayoría del metano en la Tierra proviene de microbios que viven en vertederos y en las entrañas de los rumiantes. El Metano y el Oxígeno forman juntos un par redox: dos moléculas que reaccionarán fácilmente intercambiando electrones. Si ambos existieran en la misma atmósfera, se combinarían rápidamente para producir dióxido de carbono y agua. Pero si persisten en niveles lo suficientemente altos como para ser detectables, algo debe reponerlos. «Se acepta ampliamente que si se tienen moléculas redox en gran abundancia, ellas deben producirse  por la existencia de vida», dice Hegde.
Algunos argumentan que al centrarse en el Oxígeno y el Metano, típicos de la vida en la Tierra, los investigadores están ignorando otras posibilidades. Si hay algo que los astrónomos han aprendido sobre los exoplanetas hasta el momento, es que los planetas familiares son una guía deficiente para la enorme diversidad de tamaño y naturaleza de los exoplanetas. Y los estudios de extremófilos, microbios que prosperan en ambientes inhóspitos en la Tierra, sugieren que la vida puede surgir en lugares improbables. La exobiología puede ser completamente diferente de su contraparte en la Tierra, por lo que sus subproductos gaseosos también pueden ser radicalmente diferentes.
Pero, ¿qué gases buscar? Seager y sus colegas compilaron una lista de 14,000 compuestos que podrían existir como un gas a temperaturas «habitables», entre los puntos de congelación y ebullición del agua; para mantener la lista manejable, la restringieron a moléculas pequeñas, con no más de seis átomos que no son hidrógeno. Alrededor de 2500 están hechos de átomos biogénicos de carbono, nitrógeno, oxígeno, fósforo, azufre e hidrógeno, y alrededor de 600 son en realidad producidos por la vida en la Tierra. La detección de altos niveles de cualquiera de estos gases, si no pueden explicarse mediante procesos no biológicos, podría ser un signo de biología extraterrestre, sostienen Seager y sus colegas.

Crédito: A. Cuadra / SCIENCE
La luz que brilla a través de las atmósferas de los exoplanetas en tránsito es probable que sea el pilar de las búsquedas de biofirmas en los años venideros. Pero la técnica tiende a muestrear los tramos superiores delgados de la atmósfera de un planeta; mucha menos luz estelar puede penetrar la gruesa capa de gases que envuelven a la superficie, donde es probable que ocurra la mayor actividad biológica. La técnica de tránsito también funciona mejor para los Júpiter Calientes, que por naturaleza tienen menos probabilidades de albergar vida que los pequeños planetas rocosos con atmósferas más delgadas. El JWST puede extraer espectros atmosféricos de pequeños planetas si orbitan alrededor de estrellas pequeñas y tenues como las enanas rojas, cuya luz no inundará el espectro del planeta. Pero estas enanas rojas tienen la costumbre de arrojar bengalas que dificultarían el establecimiento de la vida  en un planeta cercano a ellas.
Para buscar signos de vida en un planeta terrestre alrededor de una estrella similar al Sol, los astrónomos probablemente tendrán que capturar su luz directamente, para formar un espectro o incluso una imagen real. Eso requiere bloquear el fulgor abrumador de la estrella. Los telescopios terrestres equipados con «coronógrafos», que enmascaran con precisión una estrella para que se vean los objetos cercanos, ahora sólo pueden capturar los exoplanetas más grandes en las órbitas más anchas. Ver planetas terrestres requerirá un telescopio equipado de manera similar en el espacio, por encima del efecto distorsionador de la atmósfera.El Telescopio de Reconocimiento Infrarrojo de Campo Amplio de la NASA (WFIRST), que se espera que se lance a mediados de la década de 2020, está destinado a satisfacer esa necesidad.
Mejor aún, WFIRST podría usarse en concierto con una «Bloqueador de estrella», una nave espacial separada estacionada a 50,000 kilómetros del telescopio, que despliega una máscara circular de decenas de metros para bloquear la luz de las estrellas. Este dispositivo es más efectivo que un coronógrafo para limitar la cantidad de luz que entra al telescopio. No sólo bloquea la estrella directamente, sino que también suprime la difracción utilizando un borde petalado elaborado. Eso reduce la luz dispersa que puede hacer que sea difícil detectar planetas débiles. Sin embargo, unbloqueador es un dispositivo mucho más costosa que un coronógrafo, y alinear el telescopio y la estrella en grandes distancias será un desafío.
Las imágenes directas proporcionarán espectros mucho mejores que las observaciones de tránsitos porque la luz pasará a través de la profundidad total de la atmósfera del planeta dos veces, en lugar de pasar por los bordes exteriores. Pero también abre la posibilidad de detectar la vida directamente, en lugar de a través de sus gases residuales en la atmósfera. Si los organismos, ya sean plantas, algas u otros microbios, cubren una gran proporción de la superficie de un planeta, sus pigmentos pueden dejar una huella espectral en la luz reflejada. La luz de la Tierra contiene una huella evidente de este tipo. Conocido como el «borde rojo», es el cambio dramático en la reflectancia de las plantas verdes a una longitud de onda de aproximadamente 720 nanómetros. Debajo de esa longitud de onda, las plantas absorben tanta luz como sea posible para la fotosíntesis, reflejando solo un pequeño porcentaje. En longitudes de onda más largas, la reflectancia salta a casi el 50%, y el brillo del espectro se eleva abruptamente, como un acantilado. «Un observador alienígena podría decir fácilmente si hay vida en la Tierra», dice Hegde.
No hay ninguna razón para suponer que la vida extraterrestre tomará la forma de plantas verdes. Así que Hegde y sus colegas están compilando una base de datos de espectros de reflectancia para diferentes tipos de microbios. Entre los cientos que el equipo ha registrado hay muchos extremófilos, que ocupan nichos marginales en la Tierra pero que pueden ser una forma de vida dominante en un exoplaneta. Muchos de los microbios en la lista no han medido sus espectros de reflectancia, por lo que el equipo de Cornell está completando esos vacíos. Detectar pigmentos en una superficie de exoplanetas sería extremadamente desafiante. Pero un color revelador a la tenue luz de un mundo distante podría unir otras pistas -las líneas de absorción espectral de los gases atmosféricos, por ejemplo- para formar «un rompecabezas que en general nos dé una idea del planeta», dice Hegde.
Ninguno de los telescopios disponibles ahora o en la próxima década está diseñado específicamente para exoplanetas de imágenes directamente, por lo que las búsquedas de biofirmas deben competir con otras ramas de la astronomía por el escaso tiempo de observación. Lo que los investigadores realmente anhelan es un gran telescopio espacial diseñado especialmente para crear imágenes de mundos alienígenas similares a la Tierra, una nueva encarnación de la idea detrás del funesto Terrestrial Planet Finder de la NASA.
La Misión Habitable Exoplanet Imaging, o HabEx, un concepto de misión que ahora está siendo estudiado por la NASA, podría ser la respuesta. Su telescopio tendría un espejo de hasta 6.5 metros de diámetro, tan grande como el JWST, pero estaría armado con instrumentos sensibles a un rango de longitud de onda más amplio, desde el ultravioleta hasta el infrarrojo cercano, para capturar la más amplia gama de biofirmas espectrales. El telescopio estaría diseñado para reducir la luz dispersada y tener un coronógrafo y una estrella para permitir la visualización directa de exoplanetas del tamaño de la Tierra.
Tal misión revelaría planetas similares a la Tierra a un nivel de detalle con el que los investigadores ahora solo pueden soñar: sondear atmósferas, revelar cualquier pigmento de superficie e incluso ofrecer el tipo de imágenes de superficie cuadradas que Kane ha estado simulando. ¿Pero será suficiente para concluir que no estamos solos en el universo? «Hay mucha incertidumbre sobre lo que se requeriría para poner el último clavo en el ataúd», dice Kane. «Pero si HabEx se construye de acuerdo con su diseño actual, debería proporcionar un caso bastante convincente».
Fuente del artículo: Science Magazine. Artículo original: «Earth-sized alien worlds are out there. Now, astronomers are figuring out how to detect life on them»

 

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Sobre los «Starshades» o dispositivos en el espacio para bloquear la luz de las estrellas:

Incredible Technology: Giant Starshade Could Help Find an Alien Earth.  Miriam Kramer, Space.com Staff Writer | 
Sobre la determinación de la composición de la atmósfera de un exoplaneta:
Seeing Starlight Through a Planet’s Rim. NASA/JPL-Calthec. Sept. 23, 2014.
Exoplanets, Research.  Sara SeagerMIT

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