Utilizamos cookies propias y de terceros para mejorar nuestros servicios y facilitarte el uso de la web mediante el análisis de tus preferencias de navegación. También compartimos la información sobre el tráfico por nuestra web a los medios sociales y de publicidad con los que colaboramos. Si continúas navegando, consideramos que aceptas nuestra Política de cookies .

20 de Noviembre de 2020
Exoplanetas

Los elementos radiactivos podrían ser cruciales para la habitabilidad de un planeta

La cantidad de elementos radiactivos de un planeta rocoso podría determinar si este posee tectónica de placas y un campo magnético, características clave para la vida en la Tierra.

Ilustración de la nube de escombros generada justo antes de la colisión entre dos estrellas de neutrones. Los elementos radiactivos producidos en estos cataclismos cósmicos pueden contribuir a generar una tectónica de placas y un campo magnético (características clave para la vida en la Tierra) en los planetas rocosos similares al nuestro. [Centro de Vuelos Espaciales Goddard de la NASA/CI Lab]

La Tierra, el único planeta habitado que conocemos, siempre ha constituido un punto de partida en la búsqueda de vida extraterrestre. «Intentamos hallar algo que nos recuerde a nuestro hogar», señala Natalie Batalha, astrónoma de la Universidad de California en Santa Cruz. Es decir, un planeta rocoso que se encuentre a la distancia adecuada de una estrella (una estrella similar al Sol) para permitir la existencia de agua líquida en su superficie.

Pero los astrónomos se han topado con una desconcertante diversidad de planetas entre los miles de ellos que han descubierto, de modo que un planeta rocoso similar a la Tierra (según las observaciones de los telescopios actuales) podría resultar en realidad muy diferente a nuestro mundo. Pero ¿cómo de variables y exóticas podrían ser las condiciones en esos planetas rocosos? ¿Y cabría la posibilidad de que incluso los mundos extremadamente extraños albergasen vida?

«¿Qué procesos físicos hacen que esos mundos sean más diversos?», se pregunta Batalha. «Eso es lo que tratamos de entender.»

Muchos de esos procesos ocurren en las profundidades de los planetas. En concreto, las reservas de elementos radiactivos podrían influir de manera decisiva en la habitabilidad de un planeta, al calentar su interior. Se piensa que la existencia de una fuente de calor geofísico es crucial para generar la tectónica de placas y el campo magnético de un planeta, aspectos que a su vez parecen clave para la vida, al menos en la Tierra.

Impulsada por el calor interno, la acción de las placas tectónicas (que se deslizan por la superficie de la Tierra a modo de cintas transportadoras) ayuda a estabilizar el clima del planeta. Al reciclar el carbono a lo largo del tiempo geológico, la tectónica de placas regula la concentración de dióxido de carbono en la atmósfera. El campo magnético de nuestro planeta, que contribuye a protegerlo de la nociva radiación cósmica, tiene su origen en las corrientes eléctricas generadas por el movimiento de las capas de hierro fundido en el núcleo de la Tierra. Y esta «dinamo» geológica depende de cuánto calor radiogénico hay en el manto.

Un nuevo estudio concluye que un mundo habitable puede necesitar la cantidad justa de elementos radiactivos. Si hubiera demasiados, el planeta carecería de una dinamo interna capaz de crear un campo magnético intenso y poseería una atmósfera gruesa e inhóspita, horneada en la roca caliente. Si no hubiera suficientes, el interior del planeta sería frío e inerte y no lograría sustentar demasiada actividad geológica, lo que podría llegar a detener la dinamo.

«Incluso si encontrásemos un planeta con la misma masa y edad de la Tierra, podría ser radicalmente distinto a ella», puntualiza Francis Nimmo, geofísico de la Universidad de California en Santa Cruz y primer autor del estudio, publicado en The Astrophysical Journal Letters.

Habitabilidad y estrellas de neutrones

Los autores no son los primeros en investigar cómo afectan los radionúclidos al interior de un planeta. Pero este nuevo trabajo «explora con un detalle sin precedentes las consecuencias geofísicas y geodinámicas de distintos niveles de producción de calor en los exoplanetas terrestres», explica Stephen Mojzsis, geólogo de la Universidad de Colorado en Boulder que no participó en el estudio.

En nuestro planeta, la dinamo está impulsada por la convección de calor: el hierro fundido caliente sube desde las profundidades hasta encontrarse con el manto, donde se enfría y vuelve a hundirse hacia el núcleo. Esta circulación transfiere calor al manto, que luego lo libera a la superficie gracias a la acción de las placas tectónicas.

El material caliente del manto aflora a través de grietas en la corteza, abiertas en los límites de las placas y en otras regiones tectónicamente activas. Y la roca fría de la superficie se hunde en el manto caliente, enfriándolo como si se tratara del hielo añadido a un refresco. Dejando a un lado su importancia a la hora de regular el clima de la Tierra, sin la tectónica de placas no sería posible enfriar el manto de manera eficiente, y eso evitaría que el calor escapase del núcleo, apunta Nimmo. Es decir, que si no existiese la tectónica de placas, en nuestro planeta no habría convección, ni tampoco dinamo.

Un planeta rocoso no tiene por qué poseer una dinamo interna y tectónica de placas. De todos los mundos terrestres que orbitan alrededor de nuestro Sol, solo la Tierra presume de ambas, en gran parte debido al calor que aún mantiene en su interior. Según Mojzsis, cerca de la mitad del calor actual de la Tierra proviene de su nacimiento: lo generaron los energéticos impactos de innumerables rocas atraídas por la gravedad a lo largo de decenas de millones de años. El resto del calor interno de nuestro planeta procede en su mayoría de los isótopos radiactivos torio 232 y uranio 238.

Lo más probable es que estos (y otros) radionúclidos se forjen en las catastróficas colisiones entre estrellas de neutrones, restos estelares ultradensos que quedan tras la explosión de algunas estrellas masivas. Durante esos choques, los neutrones se unen a los núcleos pesados para dar lugar a núcleos aún más pesados, algunos de los cuales se esparcen por el cosmos.

Recreación artística del choque entre dos estrellas de neutrones, que acaba con una explosión de kilonova. Los elementos radiactivos que podrían ser clave para la habitabilidad de los planetas rocosos probablemente se forman en estas colisiones. [Observatorio Europeo Austral]

Las colisiones entre estrellas de neutrones son poco frecuentes: en una gran galaxia como la Vía Láctea, ocurre una aproximadamente cada 100.000 años. Esos eventos generan ráfagas de radionúclidos que acaban llegando a las vastas nubes de gas y polvo que, de tanto en tanto, colapsan para formar estrellas y planetas. Dado que los choques son tan inusuales, la abundancia de elementos radiactivos en las estrellas varía mucho a lo largo de la Vía Láctea, oscilando entre el 30 y el 300 por ciento de los niveles «locales» que observamos en nuestro sistema solar.

La cantidad justa de elementos radiactivos

Para comprender cómo afecta un intervalo tan amplio de abundancias de elementos radiactivos a los planetas con una masa similar a la de la Tierra, los investigadores emplearon un modelo informático que simula el flujo de calor en el interior de un mundo. Descubrieron que incrementar la cantidad de torio y uranio calienta tanto el manto que este actúa como una capa aislante y evita que el calor escape del núcleo líquido. Y si el calor no puede escapar, no hay convección, lo que significa que no hay dinamo ni campo magnético. Un manto más caliente también produce más volcanes que expulsan gas, lo que puede dar lugar a una atmósfera densa y sofocante.

Pero si la abundancia de isótopos radiactivos es demasiado baja, el manto se enfría mucho y se vuelve más rígido. La tectónica de placas se ralentiza y podría llegar a detenerse por completo, según especulan los investigadores. Sin una tectónica de placas que enfríe el manto y extraiga el calor del núcleo, la dinamo se apaga una vez más.

Tres versiones de un planeta rocoso con diferentes cantidades de calentamiento radiogénico. El planeta del medio se parece a la Tierra, con tectónica de placas y un campo magnético generado por una dinamo interna. El planeta superior, con más calentamiento radiogénico, posee un vulcanismo extremo, pero sin dinamo ni campo magnético. El planeta inferior, sin vulcanismo debido al menor calentamiento radiogénico, es geológicamente inerte. [<a href="https://news.ucsc.edu/2020/11/planet-dynamos.html" target="_blank">Melissa Weiss, Universidad de California en Santa Cruz</a>]

Si no existe otra forma de generar calor interno, un planeta habitable podría necesitar una cantidad precisa de elementos radiactivos. Para encontrar un planeta así, los astrónomos pueden medir los radionúclidos de su estrella anfitriona, observando su espectro: la forma en que la luz estelar se descompone en sus longitudes de onda constituyentes, que representan las huellas químicas de los elementos.

Debido a que tanto la estrella como el planeta nacen de la misma nube de polvo y gas, sus composiciones químicas deberían ser similares. En la práctica, es difícil medir el torio y el uranio usando este método, por lo que los autores del nuevo estudio proponen buscar en su lugar el europio, otro elemento producido en las colisiones entre estrellas de neutrones que posee una firma espectroscópica más clara.

No obstante, el modelo es simple y toma como hipótesis de partida que el planeta posee una tectónica de placas como la de la Tierra, subraya Craig O'Neill, geofísico de la Universidad Macquarie ajeno al estudio. «Está por ver si esa suposición es válida para los exoplanetas», añade. «Ese tipo de modelos producirán campos magnéticos con mucha más facilidad que los modelos sin tectónica de placas.»

De hecho, como admite Nimmo, no se conocen con certeza todos los ingredientes necesarios para que se produzca la tectónica de placas (por ejemplo, el efecto lubricante del agua podría resultar vital para el movimiento de las rocas), aunque todo el mundo está de acuerdo en que la receta precisa una gran cantidad de calor interno. Así que no está completamente claro cómo depende de los isótopos radiactivos. «Ni siquiera entendemos cómo funciona la tectónica de placas en nuestro sistema solar», incide Nimmo.

Mojzsis afirma que otra gran incógnita es la formación planetaria, un proceso complicado que puede producir variaciones en las reservas de elementos radiogénicos y el calor interno de los mundos. Por ejemplo, ¿los planetas se forman sobre todo a través de violentas colisiones de rocas del tamaño de la Luna o de la acumulación, algo menos brusca, de enjambres de guijarros? «Dependiendo del modelo que elijamos, podemos obtener distintas composiciones», añade. Así que medir los radionúclidos de una estrella anfitriona no tiene por qué reflejar el contenido de sus planetas.

Pero si los hallazgos se confirman, la búsqueda de europio estelar podría ayudar a los astrónomos a identificar los sistemas planetarios con más probabilidades de albergar mundos habitables. Eso sería muy útil, asegura Batalha, que no participó en la investigación. «Mediremos su abundancia en las estrellas», concluye, «y eso podría ayudarnos a refinar nuestra lista inicial de objetivos para las observaciones de una futura misión espacial.»

Marcus Woo

Referencia: «Radiogenic heating and its influence on rocky planet dynamos and habitability», Francis Nimmo et al. en The Astrophysical Journal Letters, vol. 903, art. L37, 10 de noviembre de 2020.

Los boletines de Investigación y Ciencia

Elige qué contenidos quieres recibir.