En Titán, la luna más grande de Saturno, llueve con regularidad. Al igual que con la Tierra, estas lluvias son el resultado de la evaporación del líquido en la superficie, la condensación en los cielos y la caída a la superficie en forma de precipitación. En la Tierra, esto se conoce como ciclo hidrológico (o del agua), que es una parte indispensable de nuestro clima. En el caso de Titán, todos los pasos están ahí, pero lo que se intercambia es metano y no agua.
En los últimos años, los científicos han encontrado evidencia de patrones similares que involucran exoplanetas, ¡con todo, desde metal fundido hasta lluvia de lava! Esto plantea la cuestión de cuán exóticas pueden ser las lluvias en mundos alienígenas. Recientemente, un equipo de investigadores de la Universidad de Havard realizó un estudio donde investigaron cómo la lluvia se diferenciaría en una amplia gama de entornos planetarios extrasolares.
Esta investigación fue realizada por Kaitlyn Loftus , un Ph.D. estudiante de Harvard Departamento de Ciencias de la Tierra y Planetarias . Su profesor supervisor (y coautor del estudio) fue Robin D. Wordsworth, quien dirige el Grupo de Investigación de Clima Planetario y Evolución Atmosférica de Wordsworth en Harvard Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas (SEAS).
Las rocas que se ven aquí a lo largo de la costa del lago Salda en Turquía se formaron con el tiempo por microbios que atrapan minerales y sedimentos en el agua. Crédito: NASA / JPL-Caltech
La investigación sobre la precipitación y los registros de lluvias pasadas en la Tierra ha enseñado a los científicos mucho sobre la naturaleza dinámica de su clima. Desafortunadamente, esta misma investigación aún no es posible con exoplanetas, lo que impide que los científicos puedan imponer restricciones más estrictas a su habitabilidad potencial. Sin embargo, el conocimiento de estas condiciones en la Tierra ha ayudado a los científicos a predecir los climas planetarios de Marte y Titán.
Por el bien de su estudio, Loftus y Wordsworth examinaron cómo esto podría aplicarse también a los exoplanetas. Como explicó Loftus a Universe Today por correo electrónico:
“Un componente clave de la habitabilidad es el clima (para probar si un planeta puede soportar agua superficial líquida). Un factor importante de incertidumbre en la comprensión del clima en diferentes entornos planetarios (incluso, por ejemplo, la transición actual de la Tierra moderna a niveles más altos de CO2) es cómo se comportan las nubes. La precipitación es una forma clave en la que las nubes 'mueren', por lo que comprender cómo funciona la precipitación puede ayudarnos a limitar el comportamiento de las nubes y, finalmente, predecir mejor el clima planetario.
“La precipitación también ayuda a controlar la cantidad de agua que permanece en la atmósfera. Como el vapor de agua es un gas de efecto invernadero muy bueno, este equilibrio de la cantidad de agua en la atmósfera también puede afectar el clima...Finalmente, la lluvia es un componente esencial del mecanismo de retroalimentación negativa para estabilizar los climas planetarios (el ciclo de carbonato-silicato) que subyace al concepto de 'zona habitable' del exoplaneta.
El exoplaneta Kepler 62f necesitaría una atmósfera rica en dióxido de carbono para que el agua esté en forma líquida. Ilustración del artista: NASA Ames / JPL-Caltech / T. Pyle
Este conocimiento será esencial, agregó Loftus, cuando los telescopios de próxima generación se unan a la búsqueda de exoplanetas potencialmente habitables. En los próximos años, los astrónomos y astrobiólogos podrán realizar estudios de imágenes directas de atmósferas de exoplanetas. Tener modelos que predicen cómo se comportan las nubes y el vapor de agua en estos planetas contribuirá en gran medida a medir su habitabilidad.
Si bien es muy difícil predecir los patrones de precipitación de un exoplaneta distante, un componente que se puede entender fácilmente es el comportamiento de las gotas de lluvia individuales. Dado que cada gota de lluvia que cae de una nube se rige por una combinación de dinámica de fluidos, termodinámica y condiciones atmosféricas, su estudio puede revelar mucho sobre el clima de un planeta.
Loftus y el profesor Wordsworth procedieron a mostrar cómo se podrían calcular tres propiedades clave en función de tres propiedades clave: su forma, su velocidad de caída y la velocidad a la que se evaporan. Dijo Loftus:
“Las nubes y las precipitaciones dependen mucho de lo que sucede en escalas de tamaño muy pequeño (gotas de nubes / gotas de lluvia ~ micrones-milímetros), escalas de tamaño mediano (nubes, kilómetros-diez kilómetros) y escalas muy grandes (presupuestos de agua a escala planetaria) . Representar todas estas escalas con precisión en un solo modelo no es manejable con computadoras modernas (o en un futuro previsible) '.
Ilustración de un artista del exoplaneta HR8799e. El instrumento GRAVITY de ESO en su interferómetro Very Large Telescope realizó la primera observación óptica directa de este planeta y su atmósfera. Crédito de la imagen: ESO / L. Calçada
'Lo que estamos tratando de hacer es utilizar el componente más simple y mejor entendido del ciclo del agua, las gotas de lluvia debajo de una nube, para restringir lo que es 'importante' entre toda la complejidad', agregó. Importante es ciertamente un término subjetivo, pero en este caso, implica rastrear cuánto vapor de agua atmosférico se convertirá en agua en la superficie, un requisito clave para la existencia de la vida tal como la conocemos.
A partir de estas tres propiedades, pudieron obtener una expresión simple para explicar el comportamiento de las gotas de lluvia a partir de ecuaciones más complicadas. En última instancia, descubrieron que (en una amplia gama de condiciones planetarias) solo las gotas de lluvia en un rango de tamaño relativamente estrecho podían llegar a la superficie. Como indicó Loftus, su investigación podría permitir una mejor representación de la lluvia en modelos climáticos complejos en el futuro:
“En este momento, mucho de lo que entendemos acerca de cómo funcionan las nubes y las precipitaciones en un sistema climático más grande está impulsado por lo que vemos (y hemos visto) en la Tierra. Sin embargo, esto deja mucha incertidumbre sobre la validez de transferir tales empirismos a regímenes donde muchas condiciones físicas son diferentes.
“[S] o hay muchos grandes signos de interrogación en torno a las cuestiones de las ciencias de la Tierra no modernas que dependen de cómo se comportan las nubes / precipitación. Este trabajo está tratando de desarrollar lentamente la capacidad de desarrollar expectativas teóricas sobre cómo las nubes y las precipitaciones deberían comportarse fuera de la Tierra moderna y, en última instancia, poner mejores restricciones a esos grandes signos de interrogación '.
El telescopio James Webb de la NASA, que se muestra en la concepción de este artista, proporcionará más información sobre exoplanetas previamente detectados. Más allá de 2020, se espera que muchos más telescopios espaciales de próxima generación se basen en lo que descubre. Crédito: NASA
Esto será muy útil cuando el Telescopio espacial James Webb lanzado el 31 de octubreS t, 2021. Usando su avanzado conjunto de instrumentos y espectrómetros infrarrojos, elJames Webbpodrá estudiar las atmósferas de exoplanetas de menor masa que orbitan más cerca de sus estrellas, es decir, donde es más probable que residan planetas rocosos potencialmente habitables.
Estos permitirán a los científicos determinar la composición química de las atmósferas de estos planetas, que pueden incluir vapor de agua y otras 'biofirmas' reveladoras. Otros telescopios, como el de ESO Telescopio extremadamente grande (ELT), el Telescopio gigante de Magallanes (GMT) y el Telescopio espacial romano Nancy Grace podrá realizar estudios de imágenes directas similares de exoplanetas.
Estos instrumentos permitirán niveles sin precedentes de caracterización de exoplanetas, que es algo a lo que los estudios de exoplanetas han estado haciendo la transición en los últimos años. Con más de 4000 exoplanetas confirmados disponibles para su estudio, los astrónomos ya no se centran exclusivamente en encontrar candidatos prometedores para el estudio. En esta coyuntura, se trata de averiguar cuál de estos candidatos cumple con los requisitos de por vida.
Los resultados se publicaron en un artículo titulado “ La física de las gotas de lluvia que caen en diversas atmósferas planetarias , ”Que apareció recientemente en línea y fue enviado para su publicación al Revista de investigación geofísica: planetas .
Otras lecturas: arXiv
Leyenda de la imagen principal:Impresión artística de una puesta de sol vista desde la superficie de un exoplaneta similar a la Tierra. Crédito: ESO / L. Calçada