En lo profundo del planeta Tierra, hay un núcleo externo líquido y un núcleo interior sólido que giran en sentido contrario entre sí. Esto crea el efecto dínamo que es responsable de generar el campo magnético planetario de la Tierra. También conocido como magnetosfera , este campo mantiene estable nuestro clima al evitar que la atmósfera de la Tierra se pierda en el espacio. Entonces, al estudiar exoplanetas rocosos, los científicos se preguntan naturalmente si ellos también tienen magnetosferas.
Desafortunadamente, hasta que podamos medir los campos magnéticos de un exoplaneta, nos vemos obligados a inferir su existencia a partir de la evidencia disponible. Esto es precisamente lo que los investigadores del Laboratorios Nacionales Sandia hizo con su Instalación de energía pulsada Z (PPF). Junto con sus socios en el Institución Carnegie para la Ciencia , fueron capaces de replicar las presiones gravitacionales de las 'Supertierras' para ver si podían generar campos magnéticos.
El equipo de investigación estuvo dirigido por Yingwei Fei , un geoquímico de Carnegie Laboratorio Tierra y Planetas (EPL) y Christopher T. Seagle , becaria postdoctoral y gerente de los Laboratorios Nacionales Sandia (SNL). A él se unieron varios investigadores del EPL y SNL. Sus hallazgos se presentaron en un estudio que se publicó recientemente en Comunicaciones de la naturaleza .
Representación artística de la Luna en la magnetosfera de la Tierra, con el 'viento de la Tierra' formado por iones de oxígeno que fluyen (gris) e iones de hidrógeno (azul brillante). Crédito: E. Masongsong / UCLA / EPSS / NASA / GSFC SVS
Cuando se trata de medir la habitabilidad planetaria, los científicos se ven obligados a adoptar lo que se conoce como el enfoque de “fruta madura”. Esto significa buscar planetas similares a la Tierra, lo que esencialmente significa planetas rocosos con atmósferas densas compuestas de nitrógeno, oxígeno, dióxido de carbono, metano y otros gases. Otra consideración clave es si un planeta orbita dentro de la zona habitable (HZ) de su estrella madre.
Los planetas que orbitan dentro de este rango experimentarán temperaturas lo suficientemente cálidas como para mantener agua líquida en sus superficies. Sin embargo, como han señalado los científicos en los últimos años, la actividad geológica también es un factor importante para mantener la habitabilidad de la Tierra. Como explicó Richard Carlson, Director del Laboratorio de la Tierra y los Planetas, en un Carnegie Science presione soltar :
“Aunque las observaciones de la composición atmosférica de un exoplaneta serán la primera forma de buscar firmas de vida más allá de la Tierra, muchos aspectos de la habitabilidad de la superficie de un planeta están influenciados por lo que está sucediendo debajo de la superficie del planeta, y ahí es donde la larga experiencia del investigador de Carnegie en las propiedades de entran materiales rocosos bajo temperaturas y presiones extremas '.
En los últimos años, los estudios de exoplanetas han dado como resultado el descubrimiento de no menos de 4.341 exoplanetas en 3216 sistemas (con otros 5.742 candidatos en espera de confirmación). De los confirmados, 1340 robustos han sido identificados como planetas rocosos que tienen muchas veces la masa de la Tierra y hasta 8 veces el tamaño, de ahí la designación de 'Super-Tierra'.
La máquina Z de Sandia National Laboratories. Créditos: SNL / Randy Montoya
'La capacidad de realizar estas mediciones es crucial para desarrollar modelos confiables de la estructura interna de las súper Tierras hasta ocho veces la masa de nuestro planeta', agregó Fei. 'Estos resultados tendrán un impacto profundo en nuestra capacidad para interpretar datos de observación'.
'La pregunta que tenemos ante nosotros es si alguno de estos superplanetas es realmente similar a la Tierra, con procesos geológicos activos, atmósferas y campos magnéticos', dijo Joshua Townsend, físico de Sandia y coautor del artículo en un SNL reciente. presione soltar . En otras palabras, ¿estos planetas rocosos exóticos y masivos son capaces de sustentar la vida tal como la conocemos?
Ubicado en el corazón de los Laboratorios Nacionales Sandia en Albuquerque, Nuevo México, el Z PPF se basa en instrumentos especiales, como el aparato de múltiples yunques, el cilindro de pistón y la celda de yunque de diamante, para simular las condiciones de alta presión y temperatura en un interior del planeta. Al hacerlo, pueden medir las propiedades físicas de los exoplanetas e imitar sus entornos gravitacionales.
Por el bien de su estudio, el equipo de Carnegie / SNL replicó las presiones gravitacionales de las 'Supertierras' aplicando el equivalente de enormes presiones gravitacionales a la bridgmanita (también conocida como silicato de magnesio) de una manera casi instantánea. Este mineral es el material más abundante en el interior de los planetas rocosos y se utilizó para simular el material del manto de una supertierra.
Impresión artística de la estructura interior de la Tierra. Crédito: Laboratorios Nacionales Argonne
Al someter la bridgmanita a ondas de choque de hipervelocidad generadas por la máquina Z, el equipo pudo recrear presiones representativas de un interior de supertierra. En estas condiciones, el equipo descubrió que la bridgmanita tiene un punto de fusión muy alto, un hallazgo que podría tener serias implicaciones para la dinámica interior de las súper Tierras.
Como indicaron en su estudio, bajo ciertos escenarios de evolución térmica, los planetas rocosos masivos podrían desarrollar una geodinamo impulsada térmicamente al principio de su evolución. Sin embargo, este efecto dínamo puede desaparecer cuando el enfriamiento del interior del planeta se ralentiza, solo para reiniciarse debido al movimiento de elementos más ligeros y la cristalización del núcleo interno.
Los experimentos también permitieron la creación de una tabla de datos que mostraba cómo el estado del interior de un planeta (sólido, líquido o gaseoso) variará según las condiciones de presión, temperatura y densidad (y durante cuánto tiempo). Como Fei explicado a través del lanzamiento de SNL:
“Para construir modelos que nos permitan comprender la dinámica interior y la estructura de las súper-Tierras, necesitamos poder tomar datos de muestras que se aproximen a las condiciones que se encontrarían allí, que podrían exceder 14 millones de veces la presión atmosférica. Sin embargo, seguimos encontrándonos con limitaciones a la hora de crear estas condiciones en el laboratorio '.
Impresión artística de un planeta Supertierra orbitando una estrella similar al Sol. Crédito: ESO / M. Kornmesser
'Z ha proporcionado a nuestra colaboración una herramienta única que ninguna otra técnica puede igualar, para que podamos explorar las condiciones extremas de los interiores de las súper Tierras', dijo. adicional , a través del lanzamiento de Carnegie Science. 'Los datos de alta calidad sin precedentes de la máquina han sido fundamentales para hacer avanzar nuestro conocimiento de las super-Tierras'.
Sobre la base de su análisis del estado de los interiores de la súper Tierra, el equipo también produjo una lista de siete planetas posiblemente dignos de un estudio más a fondo. Estos incluyen 55 Cancri e, Kepler-10 b, Kepler-36 b, Kepler-80 e, Kepler-93 b, CoRoT-7 by HD-219134 b. Como Seagle, quien inicialmente propuso estos experimentos con Fei, dijo :
“Estos planetas, que encontramos con más probabilidad de albergar vida, fueron seleccionados para un estudio adicional porque tienen proporciones similares a la Tierra en su hierro, silicatos y gases volátiles, además de temperaturas interiores propicias para mantener los campos magnéticos para la protección contra el viento solar. '
Las super-Tierras se han convertido en un punto focal de interés porque su mayor tamaño y masa significa que ejercen grandes presiones gravitacionales. Como resultado, es probable que estos planetas se aferren a sus atmósferas durante períodos de tiempo más prolongados, lo que garantiza que la vida tenga más posibilidades de emerger y evolucionar hacia un estado de mayor complejidad.
Diseño artístico de la super-Tierra GJ 625 by su estrella, GJ625 (Gliese 625). Crédito: Gabriel Pérez / SMM (IAC)
Su considerable masa también significa que es más probable que las condiciones de presión y temperatura en sus interiores resulten en una geodinamo. Como explicó Townsend, el contraste entre la Tierra y Marte ilustra cómo funciona esto. 'Debido a que Marte era más pequeño, tenía un campo gravitacional más débil para empezar', dijo. 'Luego, cuando su núcleo se enfrió rápidamente, perdió su campo magnético y su atmósfera fue posteriormente despojada'.
No es ningún secreto que el campo de la investigación de exoplanetas ha crecido a pasos agigantados en las últimas décadas. En los próximos años, los instrumentos de la próxima generación se trasladarán al espacio o entrarán en funcionamiento aquí en la Tierra. Anticipándose a esto, los científicos están trabajando diligentemente para desarrollar los modelos, métodos y marcos que permitirán una caracterización más rápida.
Estos no solo les dirán a los astrónomos dónde deben mirar, sino que también ayudarán a los astrónomos a reconocer las firmas reveladoras que podrían indicar la presencia de vida (también conocidas como biofirmas). La búsqueda de vida más allá de la Tierra ha sido difícil y continua hasta ahora, y probablemente siempre lo será. Pero también se volverá mucho más emocionante, ¡y pronto!
Otras lecturas: SNL , Ciencia Carnegie , Comunicaciones de la naturaleza