Los laboratorios que forjan planetas distantes aquí en la Tierra

Experimentos de alta presión exploran lo que deberían tener los exoplanetas para hacerlos habitables.

Podrían las Super-Tierras como la que se muestra aquí, poseer una geología similar a la de la Tierra? Crédito de la imagen: M. Kornmesser / Nick Risinger / ESO.
Yingwei Fei y sus colegas habían pasado un mes  elaborando cuidadosamente las tres muestras de silicato denso, brillantes y redondas, teniendo cada muestra menos de un milímetro de espesor. Pero a principios de Noviembre, era hora de decirles adiós. Fei empacó cuidadosamente las muestras, más algunas copias de respaldo, en espuma y las envió desde Washington DC a Albuquerque, Nuevo México. Allí, la Instalación de Potencia Pulsada Z en los Laboratorios Nacionales Sandia pronto enviará 26 millones de amperios a las muestras, zambulléndolas, una por una, en polvo.
La máquina Z puede replicar las condiciones extremas dentro de las armas nucleares en detonación. Pero Fei, un geólogo experimental de alta presión en el Laboratorio de Geofísica de la Carnegie Institution for Science en Washington DC, tiene un objetivo más ambicioso en mente: espera explorar cómo la bridgmanita, un mineral encontrado a mucha profundudad debajo de la superficie de la Tierra, se comportaría a temperaturas más altas y a las presiones que se encuentran dentro de los planetas rocosos más grandes más allá del Sistema Solar.
El experimento es una pequeña contribución a la exogeología: un área de investigación que reúne a astrónomos, científicos planetarios y geólogos para explorar cómo se verían los exoplanetas, geológicamente hablando. Para muchos científicos, la exogeología es una extensión natural de la búsqueda para identificar mundos que podrían sustentar la vida. Los astrónomos ya han descubierto miles de exoplanetas y recopilaron algunas de sus estadísticas vitales, incluidas sus masas y radios. Aquellos que orbitan en la zona habitable, o “Goldilocks”, una región alrededor de la estrella anfitriona que es lo suficientemente templada como para que el agua exista en forma líquida, se cree que son particularmente amigables para la vida.
Pero la Tierra tiene muchas otras cosas además de su tamaño, masa y órbita favorable, dice Cayman Unterborn, un Exogeólogo de la Universidad Estatal de Arizona en Tempe. Su núcleo fundido en permanente batido, por ejemplo, crea y sostiene un campo magnético que protege la frágil atmósfera del planeta del viento solar. Y el movimiento de las placas tectónicas ayuda a regular las temperaturas globales, ciclando el dióxido de carbono entre las rocas y la atmósfera. Los descubrimientos de Exoplanetas siguen llegando. Pero los astrónomos se están “dando cuenta de que bueno, ‘esperen, queremos entender estos sistemas mucho más que simplemente coleccionarlos como si fuesen sellos'”, dice Unterborn. “Incorporar la Geología en la mezcla es un factor natural”.
Los investigadores están utilizando simulaciones y experimentos, como lo hace Fei en la máquina Z, para conocer qué tipos de exoplanetas podrían tener geología similar a la de la Tierra. El trabajo podría ayudar a los investigadores a priorizar qué exoplanetas estudiar.
Pero el campo enfrenta varios desafíos, no menos importantes,  que el misterio que todavía rodea gran parte de la Geología de la Tierra, como por ejemplo cómo y cuándo comenzó la actividad tectónica. “La Tectónica, es un descubrimiento fundamental que cambió la Geología”, dice Richard Carlson, un Geoquímico de la Institución Carnegie. “Pero todavía no sabemos por qué funciona de la manera en que funciona”. Además, confirmar que un exoplaneta en realidad cuenta con una Geología parecida a la de la Tierra podría ser difícil; los Astrónomos rara vez observan estos planetas directamente, y si lo hacen, el planeta podría tener el tamaño de un sólo píxel en su imagen.
Incluso la evidencia indirecta, o la más pequeña indicación, de la existencia de actividad geológica podría dar a los investigadores una visión más completa de estos mundos distantes, y cuáles son los mejores candidatos para buscar indicaciones de vida. “Es como si te topas con una escena de crimen gigante con muy poca evidencia”, dice Sara Seager, Astrofísica del Instituto de Tecnología de Massachusetts en Cambridge. “Trabajas lo más que puedes para tomar la poca evidencia que hay e intentas armarla de alguna manera”.
Mirando hacia afuera
Uno de los objetivos más emocionantes de la ciencia exoplanetaria han sido las Super-Tierras. Estos planetas rocosos, con hasta diez veces la masa de la Tierra, no tienen paralelo en el Sistema Solar. Pero ahora se sabe que son bastante comunes en la Galaxia y, debido a que muchos son bastante grandes, podrían ser objetivos más fáciles para la observación detallada, que los planetas del tamaño de la Tierra.
Los primeros estudios de la Geología de las Super-Tierras , publicados hace unos diez años, examinaron cómo serían estos planetas si fueran simplemente versiones a escala de la Tierra. Pero el abrasador planeta 55 Cancri e, que apareció por primera vez en 2004, subrayó la idea de que las súper-Tierras podrían ser bastante diferentes. Las observaciones en 2011 revelaron que el planeta tenía aproximadamente el doble del radio de la Tierra 1 y un poco más de ocho veces su masa 2 , lo que arrojaba una densidad promedio sólo marginalmente más alta que la de la Tierra, y eso presentaba un enigma.
La instalación de energía pulsada Z se puede usar para investigar las composiciones de los exoplanetas. La máquina Z en el Laboratorio Nacional Sandia. Debido al extremadamente alto voltaje, el equipo de alimentación está sumergido en cámaras concéntricas de 2 megalitros (2.000 m³) de aceite para transformador y 2.3 megalitros (2.300 m³) de agua desionizada, que actúan como aislantes. A pesar de ello, el pulso electromagnético cuando se descarga la máquina provoca un impresionante relámpago, denominado “flashover”, que se puede ver alrededor de muchos de los objetos metálicos en la sala. Crédito de la imagen: Randy Montoya/Sandia National Laboratories.
Si 55 Cancri e tuviera un núcleo de hierro y un manto de silicato, como la Tierra, debería ser más masivo dado su tamaño. Un océano envuelto alrededor de todo el planeta reduciría la densidad de 55 Cancri a niveles parecidos a la Tierra. Pero el planeta está demasiado caliente para que el agua sobreviva por mucho tiempo; orbita tan cerca de su estrella anfitriona que la temperatura del día es de aproximadamente 2.500 kelvin.
Una explicación llegó en 2012, cuando Nikku Madhusudhan, Astrónomo de la Universidad de Yale en New Haven, Connecticut, y sus colegas decidieron adoptar un nuevo enfoque. Investigaciones previas habían sugerido que la estrella anfitriona del planeta tiene un valor mucho más alto del cociente  Carbono- Oxígeno que el Sol. Las estrellas y sus planetas se construyen a partir del mismo disco giratorio de polvo y gas, por lo que parecía justo suponer que 55 Cancri e también sería rico en carbono. Cuando Madhusudhan dio cuenta de este carbono en su modelo del interior del planeta, produjo una coincidencia con la masa y el radio de ese mundo 3. “Fue una revelación”, dice Madhusudhan, ahora en la Universidad de Cambridge, Reino Unido. Y ese mundo sería realmente extraño. Madhusudhan sospecha que su corteza podría estar dominada por el grafito; dentro del planeta, la presión probablemente aplastaría grandes cantidades del elemento transformándolo en diamante. “Se vería bastante radical en comparación con lo que vemos en el Sistema Solar”, dice.
Un planeta hecho de diamantes encendería la imaginación, aunque la estrella anfitriona de 55 Cancri e podría no contener tanto carbono como se pensaba. Incluso si lo hiciera, los astrónomos advierten en contra de suponer que la composición de un planeta coincide con la de su estrella anfitriona. Seager señala que esta idea no sería muy útil para la variedad de planetas en el Sistema Solar. “En este punto, es una inferencia razonable, pero creo que es importante darse cuenta de que no está revestido de hierro”, dijo Gregory Laughlin, Astrónomo de Yale.
Construcción de exoplanetas
Los exogeólogos han adoptado esta incertidumbre y están haciendo todo lo posible para determinar cómo se forman y evolucionan los mundos distantes. Para ir de una lista de elementos iniciales a la geología, los científicos necesitan saber qué minerales se forman, cuándo se derriten y cómo cambia su densidad con la presión y la temperatura. Esos datos se pueden usar para simular cómo  se desarrolla un planeta a partir de una bola fundida e indiferenciada en una estructura estratificada, con minerales que se forman, y se hunden o flotan, a medida que el planeta se enfría. “Podemos construir un modelo mineralógico, digamos, de piel de cebolla, de cómo se vería el planeta inicialmente”, dice Wim van Westrenen, Geólogo de la Universidad Libre de Ámsterdam. Luego, dice, los investigadores pueden usar modelos numéricos para predecir cómo evolucionará ese planeta y si la migración de materiales será suficiente para impulsar la tectónica de placas.
Para recopilar información para alimentar estos modelos, los geólogos están comenzando a someter las rocas sintéticas a altas temperaturas y presiones para replicar las entrañas de un exoplaneta, como lo están haciendo Fei y sus colegas. Aunque el objetivo de estos experimentos es nuevo, el enfoque no lo es. Durante décadas, los petrólogos experimentales han construido instrumentos para simular las condiciones del interior de la Tierra, desde unos pocos centímetros debajo de la superficie hasta el núcleo de la Tierra. Muchos usan un dispositivo llamado una celda de yunque de diamante. Este aparato exprime materiales al juntar las puntas romas de dos gemas de diamantes de calidad . Mientras una muestra está bajo presión, al mismo tiempo, se puede usar un láser para calentarla
Grupos como el de Sang-Heon Dan Shim, un Físico en Minerales de la Universidad Estatal de Arizona, y sus colegas han utilizado este proceso para exprimir muestras ricas en carbono que podrían reflejar la composición de 55 Cancri e. El trabajo ha revelado 4 cómo los planetas dominados por compuestos que contienen Carbono llamados Carburos podrían transportar calor, y cómo podrían diferir de los planetas que, como la Tierra, están dominados por los Silicatos.
El Carbono no es el único elemento de interés. Unterborn apunta al Magnesio, el Silicio y el Hierro como “los tres grandes” que afectarán la estructura global de un planeta, influyendo en cómo fluye el calor en el manto y el tamaño relativo del núcleo del planeta, y la presencia de placas tectónicas y un campo magnético global , respectivamente. Las proporciones de estos elementos varían ampliamente en las estrellas. El Sol tiene un átomo de Magnesio por cada átomo de Silicio; en otras estrellas, esa relación varía de 0.5 a 2. La diferencia puede parecer pequeña, pero si las mismas proporciones están presentes en los planetas, podrían afectar drásticamente su geología.
La mayoría de los libros de texto argumentan que las rocas ricas en Magnesio serían más blandas que las que contienen altas concentraciones de silicio, tanto así, que caminar en un mundo rico en magnesio podría tener la sensación de caminar sobre el barro. El trabajo de Shim con celdas de yunque de diamante  en rocas con varias proporciones de Magnesio a Silicio sugiere que estos mundos también podrían poseer depósitos de magma más profundos que un planeta rico en Silicio y, como resultado, más volcanes catastróficos. Pero Shim señala que otros parámetros, como la concentración de agua en minerales, también deben tenerse en cuenta.
Alta presión
Con dos diamantes, Shim puede aplicar no más de 400 gigapascales de presión, un poco más alta que la presión en el núcleo de la Tierra. Para explorar los interiores de las Super-Tierras, ha recurrido al láser de rayos X más brillante del mundo: la fuente de luz coherente Linac en el laboratorio SLAC National Accelerator en Menlo Park, California. El instrumento puede generar ondas de choque dentro de la muestra, produciendo presiones de hasta 600 gigapascales, suficiente para simular los núcleos de planetas el doble de masivos que la Tierra.
Los geólogos también están utilizando otras grandes  instalaciones  para investigar posibles formulaciones de exoplanetas. La máquina Z puede alcanzar 1,000 gigapascales, la condición esperada dentro de los planetas casi tres veces la masa de la Tierra. Las instalaciones láser en Palaiseau, Francia , y Osaka, Japón , pueden alcanzar un rango similar. Y algunos investigadores han recurrido a la Instalación Nacional de Ignición en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore en California, que se utiliza para estudiar la fusión nuclear y puede someter muestras hasta 5.000 gigapascales, la presión del interior profundo de Júpiter. Estos experimentos todavía están en sus etapas preliminares, ya que los investigadores compiten por el tiempo en estas instalaciones y acumulan lentamente datos en una variedad de compuestos básicos.
Al final del día, los exogeólogos esperan encontrar la combinación correcta de elementos para construir exoplanetas con geologías similares a la Tierra. “Me gustaría identificar la zona compositiva de Goldilocks”, dice Wendy Panero, Geóloga de la Universidad Estatal de Ohio en Columbus. “¿Cuál es la ‘zona habitable’ no demasiado blanda, no demasiado rígida para la composición de rocas?”
La respuesta puede no ser clara. Incluso el conocimiento perfecto de la composición podría no contarle a los exogeólogos mucho sobre el estado de un planeta. La Tierra, por ejemplo, no registró tectónica de placas en su historia temprana, y no se espera que la tenga para siempre. Y su vecino Venus muestra cuán ampliamente puede divergir la evolución planetaria. La masa, el radio, la composición y la distancia del planeta respecto del Sol son similares a los de la Tierra. Pero la Tierra sostiene la vida, mientras que Venus, envuelta en una bruma de dióxido de carbono, está completamente muerta. Stephen Mojzsis, un Geólogo de la Universidad de Colorado en Boulder, sospecha que la pérdida de la tectónica de placas en la Tierra eventualmente hará que se parezca a su hermano supercaliente. “Es inevitable”, dice. “No estamos seguros de cuándo sucederá eso”. Por lo tanto, aunque la mayoría de los modelos de exoplanetas iniciales se centran en la composición, los exogeólogos deben incluir básicamente otros factores, tal como los miles de millones de años de evolución planetaria.
Algunos esperan que este trabajo ayude a los astrónomos a determinar a qué planetas atacar en la búsqueda de vida. Si los científicos conocen las condiciones necesarias para mantener un campo magnético durante miles de millones de años, o las proporciones de elementos necesarios para impulsar la convección en el manto, podrían aconsejar a sus colegas que escudriñen los mundos que cumplen esos criterios. Luego, los astrónomos podrían dirigir poderosos telescopios, como el Telescopio Espacial James Webb de la NASA, programado para su lanzamiento en 2019, hacia esos planetas para buscar en sus atmósferas posibles indicios de vida alienígena .
También podría ser posible detectar actividad geológica a distancia. Un pico transitorio en el azufre atmosférico, por ejemplo, podría ser una evidencia indirecta de la presencia de un volcán activo. Los cambios en la reflectividad a medida que un planeta gira pueden insinuar la presencia de continentes y océanos, lo que también podría sugerir actividad tectónica.
Ya se ha hablado de una posible detección de actividad volcánica: en 55 Cancri e. En 2016, Brice-Olivier Demory, un Astrónomo de la Universidad de Berna, y sus colegas publicaron 5 el primer mapa de calor del planeta, creado utilizando el Telescopio Espacial Infrarrojo Spitzer de la NASA. El planeta está bloqueado por mareas a su estrella, por lo que un hemisferio está eternamente bañado por la luz solar y el otro está oscuro. El planeta debería ser el más cercano a la estrella, pero Demory y sus colegas descubrieron que el punto más caliente parece estar compensado. Ellos postularon que la lava que fluye está llevando el calor (aunque trabajos más recientes 6 han argumentado que los vientos podrían ser responsables en su lugar).
Está claro que 55 Cancri e no es un lugar para la vida. Pero otros mundos pueden ser mucho más atractivos. A principios de este año, Unterborn completó un estudio 7 que analizó más de 1,000 estrellas similares al Sol. Utilizando sus composiciones, determinó que un tercio de esas estrellas podría albergar planetas cuya corteza era lo suficientemente densa como para hundirse en el manto, un proceso que podría permitir que las placas tectónicas prosperen durante miles de millones de años.
Aunque los investigadores están sólo en el comienzo de la exploración de la geología de los exoplanetas, Carlson observa que el estudio de estos mundos ya ha producido una serie de sorpresas, entre ellas la evidencia de planetas que parecen haber experimentado dramáticas migraciones desde sus órbitas originales 8 . Este descubrimiento causó que los astrónomos reconsideraran la evolución del Sistema Solar, y teorizaron que movimientos similares podrían haber ayudado a transportar materiales, como hielo de agua, a la Tierra. “No creo que los seres humanos sean tan imaginativos y creativos como la naturaleza”, dice Carlson. “Por lo tanto, comprender la diversidad de lo que hay allí nos abrirá los ojos a otras posibilidades. Y son esas otras posibilidades las que nos ayudarán a comprender mejor nuestra situación “.
Referencias
  1. 1.
    Endl, M. y col. Astrophys. J. 759 , 19 (2012). Artículo. CAS.
  2. 2.
    Gillon, M. y col. Astron. Astrophys. 539 , A28 (2012). Artículo.
  3. 3.
    Madhusudhan, N., Lee, KKM y Mousis, O. Astrophys. J. 759 , L40 (2012). Artículo. CAS.
  4. 4.
    Nisr, C. y col. J. Geophys. Res. Planetas 122 , 124-133 (2017). Artículo. CAS.
  5. 5.
    Demory, B.-O. et al. Nature 532 , 207-209 (2016). PubMed. Artículo. CAS
  6. 6.
    Angelo, I. y Hu, R. Astron. J. 154 , 232 (2017). Artículo
  7. 7.
    Unterborn, CT y col . Preprint disponible en https://arxiv.org/abs/1706.10282 (2017).
  8. 8.
    Triaud, A. Nature 537 , 596-597 (2016). PubMed. Artículo. CAS.
Descargar referencias
Fuente del artículo: Nature.  Artículo original:”The labs that forge distant planets here on Earth”. Shannon Hall. Dec. 06, 2017.
Material relacionado:
El lector encontrará toda la información sobre las condiciones de habitabilidad de las Super Tierras, los procesos geodinámicos necesarios, la Tectónica de placas,los núcleos planetarios en relación a la producción de campos electromagnéticos, y la Física de Altas presiones, en el apartado “Material relacionado” del artículo:
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