Las Estrellas Enanas Rojas y los exoplanetas que las orbitan

Representación  artística de una enana roja o estrella tipo M, con tres exoplanetas en órbita. Alrededor del 75 por ciento de todas las estrellas en el cielo son las más pequeñas y más frías enanas rojas. Crédito: NASA.

Es tentador buscar planetas habitables alrededor de estrellas enanas rojas, que emiten con menor intesidad de luz y, por lo tanto, son menos cegadoras. Pero, ¿es inteligente?

Esa pregunta ha estado cerca de la parte superior de la lista para muchos científicos dedicados a los exoplanetas, especialmente aquellos involucrados en la búsqueda de mundos habitables.

Las enanas rojas son abundantes (alrededor de tres cuartas partes de todas las estrellas) y los planetas que las orbitan son más fáciles de observar porque las estrellas son tan pequeñas en comparación con nuestro Sol, por lo que un planeta del tamaño de la Tierra bloquea una mayor fracción de luz estelar. Debido a que los planetas que orbitan estrellas  enanas rojas están mucho más cerca de sus estrellas anfitrionas, la geometría de observación favorece la detección de más tránsitos.

Un objetivo potencialmente rico, pero con algunos inconvenientes que se han comprendido mejor en los últimos años. No sólo la mayoría de los planetas que orbitan alrededor de estas estrellas enanas rojas están acoplados por el efecto de las mareas gravitatorias, con un lado siempre de cara a la estrella y el otro en la oscuridad, sino que también  la historia de la vida de los enanas rojas es problemática. Comienzan con poderosas fulguraciones que muchos científicos dicen que esterilizarían para siempre a los planetas cercanos.

Además, se teoriza que son propensos a perder cualquier remanente de agua que posean, incluso si las fulguraciones  estelares no logran  hacerlo. Originalmente, se pensó que esto sucedería debido a un «efecto invernadero desbocado», donde un planeta  calentado por la luz de su estrella,  evaporaría suficiente agua de sus océanos para crear una gruesa capa de vapor de H2O a grandes altitudes, que bloquearía el escape de radiación, llevando a un mayor calentamiento y la eventual pérdida de toda el agua del planeta.

El calcinante efecto invernadero provocado por el CO 2  de un planeta como Venus puede ser el resultado de eso. Más tarde se descubrió que en muchos planetas, otro mecanismo llamado «efecto invernadero húmedo» podría crear una manta gruesa similar de vapor de agua a grandes altitudes mucho antes de que el planeta llegase al escenario del efecto invernadero desbocado.

Finalmente, ahora ha llegado una mejor noticia sobre los exoplanetas que orbitan estrellas  enanas rojas. Utilizando modelos tridimensionales que caracterizan las atmósferas, que pueden dar cuenta de las condiciones entorno a un punto permitiendo moverse hacia atrás, hacia adelante y hacia los lados, los investigadores encontraron condiciones atmosféricas bastante diferentes de las predichas por los modelos 1-D que capturan cambios que van sólo desde la superficie hacia arriba.

  • En un trabajo de investigación se descubrió que al usar algunas observaciones y cálculos bastante simples, los científicos podían determinar la probabilidad de que en el planeta se desatase o no, un efecto invernadero húmedo. 

  • En otro trabajo se descubrió que estos exoplanetas que orbitan estrellas enanas rojas podrían tener atmósferas que siempre están muy nubladas, pero aún podrían tener temperaturas superficiales moderadas.

  • Los nuevos estudios también amplían el tamaño de las zonas habitables en las que los exoplanetas podrían estar orbitando alrededor de una enana roja u otra estrella «fría», lo que hace que muchos de ellos sean potencialmente habitables.

 

Las regiones de color verde son las zonas habitables que rodean los diferentes tipos de estrellas. Esto se refiere a la región donde el agua en un planeta podría permanecer líquida al menos una parte del tiempo. No significa que los planetas en la zona sean necesariamente habitables. Crédito: NASA.

«Esta es una buena noticia para aquellos de nosotros que esperamos encontrar planetas habitables», dijo Anthony Del Genio, científico investigador del Instituto Goddard para Estudios Espaciales (GISS) de la NASA en Nueva York, y coautor de un nuevo artículo en The Astrophysical Journal.

«Estos estudios muestran que un rango más amplio de planetas de lo que pensábamos podrían tener climas estables . Esto es una ampliación del ancho de la zona habitable al mostrar que podemos acercarnos a una estrella y todavía tenemos un planeta potencialmente habitable «.

Yuka Fujii, autora del artículo del Astrophysical Journal, se especializa en caracterización de exoplanetas, atmósferas planetarias, formación de planetas y problemas de origen de la vida. Crédito: Nerissa Escanlar.

En un comunicado de la NASA, la autora principal del artículo, Yuka Fujii, dijo lo siguiente: «Utilizando un modelo que simula de forma más realista las condiciones atmosféricas, descubrimos un nuevo proceso que controla la habitabilidad de los exoplanetas y nos guía en la identificación de candidatos para estudios posteriores«. Fujii estuvo anteriormente en GISS/NASA y ahora es profesora asociada de proyectos en el Earth-Life Science Institute en Tokio.

Dado que el tiempo de telescopio disponible para los exoplanetas será bastante limitado en observatorios como el futuro Telescopio Espacial James Webb, que tiene muchas tareas astronómicas por realizar, los exoplanetas del tamaño de la Tierra alrededor de estrellas enanas rojas parecen ser el objetivo más factible para observar, desde el punto de vista tecnológico.

Los científicos tienen que observar planetas del tamaño de la Tierra durante mucho tiempo y durante muchos tránsitos en frente de la estrella anfitriona para obtener una señal lo suficientemente buena para poder ser analizada e interpretada.  Dada esta situación, será imposible observar todos, o incluso muchos, de los planetas candidatos del tamaño de la Tierra descubiertos hasta ahora o que serán descubiertos. Es necesario tomar decisiones difíciles.

  • Lo que el grupo encontró utilizando sus modelos 3-D es que, a diferencia de las predicciones de los modelos 1-D, este efecto invernadero húmedo no se establece inmediatamente para una luminosidad particular de la estrella. Por el contrario, ocurre más gradualmente a medida que la estrella se vuelve más brillante.

Ese hecho, dijo Del Genio, hace que los hallazgos de los nuevos estudios de modelado 3D también sean importantes porque pueden ayudar a los observadores a determinar cuáles de los  pequeños exoplanetas rocosos podrían ser más prometedores en términos de habitabilidad.

Lo hacen mediante la identificación, y luego la eliminación, de exoplanetas que se han sometido a lo que se denomina una transformación de «efecto invernadero húmedo».

Anthony Del Genio, líder del equipo de GISS utilizando modelos de clima de la Tierra de vanguardia para comprender mejor las condiciones de los exoplanetas.

Un efecto invernadero húmedo ocurre cuando un exoplaneta que posee agua, orbita demasiado cerca de su estrella anfitriona. La luz de la estrella calentará los océanos hasta que comiencen a evaporarse y se pierdan en el espacio.

Esto sucede cuando el vapor de agua asciende a una capa en la atmósfera superior llamada estratósfera y se rompe en sus componentes elementales (hidrógeno y oxígeno) por la luz ultravioleta de la estrella.
Los átomos de hidrógeno extremadamente ligeros pueden escapar al espacio. Se dice que los planetas en el proceso de perder sus océanos de esta manera han entrado en un estado de «efecto invernadero húmedo» debido a sus estratósferas húmedas.

  • Lo que el grupo encontró utilizando sus modelos 3-D es que, a diferencia del efecto invernadero desbocado, este efecto invernadero húmedo no se establece inmediatamente en un umbral de temperatura particular. Por el contrario, ocurre de manera más gradual, incluso durante eones.

Llegaron a esta conclusión porque el calentamiento de la atmósfera superior resultó ser una función de la radiación infrarroja procedente de las estrellas y no de la actividad convectiva turbulenta (como en las tormentas masivas) de la superficie, como se creía anteriormente.

La radiación infrarroja (que se encuentra en longitudes de onda ligeramente más largas que las correspondientes al área de longitud de onda visible del espectro) calentará el planeta y causará que el agua  presente, eventualmente se evaporare.

Esta es una representación de cómo se vería la distribución del hielo marino en un mundo oceánico acoplado a su estrella  (rotación capturada) por mareas gravitatorias. La estrella estaría a la derecha, azul es donde hay océano abierto, y blanco es donde hay hielo marino. (NASA / GISS / Anthony Del Genio).

Este artículo viene de la mano de uno relacionado en la edición de Agosto del «The Astrophysical Journal».

  • Ravi Kopparapu, científico investigador de Goddard de la NASA y Eric Wolf de la Universidad de Colorado, llegaron a una conclusión similar sobre las superficies de los  exoplanetas que orbitan enanas rojas. Como escribieron en su resumen, el modelado «implica que algunos planetas alrededor de estrellas de baja masa (enanas rojas) pueden sufrir  pérdida de agua y simultáneamente permanecer habitables».

  • También informaron que el modelado en 3-D del modelo de circulación general mostró que los escenarios de efecto invernadero húmedo alrededor de las enanas rojas se llevan a cabo  lentamente y  a temperaturas relativamente bajas. Como resultado, los océanos podrían permanecer durante mucho tiempo, incluso miles de millones de años, a medida que se evaporasen lentamente.

Ambos grupos usan modelos de circulación general (GCM), aunque diferentes. Los GCM son un tipo avanzado de modelo climático que analiza los patrones generales de circulación de las atmósferas planetarias y los océanos. Inicialmente fueron diseñados para modelar los patrones climáticos de la Tierra, pero ahora también se usan para los exoplanetas.

La teoría original del escenario del efecto  invernadero húmedo fue propuesta en la década de 1980 por James Kasting, de la Universidad Estatal de Pensilvania, quien también realizó muchos trabajos originales sobre el concepto de zona habitable y ayudó a popularizar el concepto. Tanto el efecto  invernadero desbocado como el efecto  invernadero húmedo se han convertido en factores importantes en el estudio de los exoplanetas.

Fuente del artículo: Astrobilogy at NASA.  Artículo original: «Red Dwarf Stars and the Planets Around Them«, Marc Kaufman. Astrobiology. Nov. 15, 2017.

Material relacionado:

Las enanas rojas en la Vía Láctea son en su gran mayoría  estrellas simples, es decir no pertenecen a sistemas múltiples de estrellas, lo cual favorece la existencia de exoplanetas orbitando entorno a ellas (los discos protoplanetarios entorno a un sistema formado por más de una estrella son muy inestables, llevando en general a la disrupción de los mismos):

Ese mismo estudio también concluye que las enanas rojas son las estrellas más abundantes de nuestra galaxia:

Un equipo de la Universidad de Yale Liderado por el investigador Pieter van Dokkum  ha observado enanas rojas no en nuestra galaxia, sino en ocho galaxias elípticas relativamente cercanas, ubicadas entre 50 y 300 millones de años luz de distancia. Lo que descubrieron es que hay unas veinte veces más enanas rojas en estas galaxias elípticas que en la Vía Láctea:

Aunque ninguna es visible a simple vista, las enanas rojas constituyen más de la mitad de las 140 estrellas conocidas dentro de los 20 años luz del Sol y albergan dos tercios de los exoplanetas conocidos en esa región. Vea el gráfico de estas estrellas en nuestra vecindad en el artículo:

Sobre la abundancia de exoplanetas rocosos a partir de los datos recabados por la misión Kepler:

Sobre la posible abundancia de agua en los planetas que orbitan estrellas enanas:

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