La possibilitat de vida als planetes aquàtics

2024 Autora: Seth Attwood | [email protected]. Última modificació: 2023-12-16 16:00

La majoria dels planetes que coneixem són més grans en massa que la Terra, però menys que Saturn. Molt sovint, entre ells hi ha "mini-neptús" i "super-terres", objectes un parell de vegades més massius que el nostre planeta. Els descobriments dels darrers anys donen cada cop més motius per creure que les superTerres són planetes la composició dels quals és molt diferent de la nostra. A més, va resultar que els planetes terrestres d'altres sistemes probablement diferiran de la Terra en elements i compostos lleugers molt més rics, inclosa l'aigua. I aquesta és una bona raó per preguntar-se fins a quin punt són per a la vida.

Les esmentades diferències entre l'antiga Terra i la Terra s'expliquen pel fet que tres quartes parts de totes les estrelles de l'Univers són nanes vermelles, lluminàries molt menys massives que el Sol. Les observacions mostren que els planetes que els envolten es troben sovint a la zona habitable, és a dir, on reben aproximadament la mateixa energia de la seva estrella que la Terra del Sol. A més, sovint hi ha moltíssims planetes a la zona habitable de les nanes vermelles: al "cinturó de Rics d'Or" de l'estrella TRAPPIST-1, per exemple, hi ha tres planetes alhora.

I això és molt estrany. La zona habitable de les nanes vermelles es troba a milions de quilòmetres de l'estrella, i no a 150-225 milions, com al sistema solar. Mentrestant, diversos planetes alhora no es poden formar a milions de quilòmetres de la seva estrella; la mida del seu disc protoplanetari no ho permetrà. Sí, una nana vermella en té menys que una de groga, com el nostre Sol, però no cent ni tan sols cinquanta vegades.

La situació es complica encara més pel fet que els astrònoms han après a "pesar" amb més o menys precisió els planetes en estrelles llunyanes. I després va resultar que si relacionem la seva massa i mida, resulta que la densitat d'aquests planetes és dues o fins i tot tres vegades menor que la de la Terra. I això és, en principi, impossible si aquests planetes es van formar a milions de quilòmetres de la seva estrella. Perquè amb una disposició tan propera, la radiació de la lluminària hauria d'empènyer literalment la major part dels elements de llum cap a l'exterior.

Això és exactament el que va passar al sistema solar, per exemple. Fem una ullada a la Terra: es va formar a la zona habitable, però l'aigua en la seva massa no supera la mil·lèsima part. Si la densitat d'un nombre de mons en nanes vermelles és de dues a tres vegades menor, aleshores l'aigua no és inferior al 10 per cent, o fins i tot més. És a dir, cent vegades més que a la Terra. En conseqüència, es van formar fora de la zona habitable i només aleshores hi van emigrar. És fàcil que la radiació estel·lar priva els elements lleugers de les zones del disc protoplanetari properes a la lluminària. Però és molt més difícil privar d'elements lleugers un planeta ja fet que ha migrat des de la part llunyana del disc protoplanetari: les capes inferiors estan protegides per les superiors. I la pèrdua d'aigua és inevitablement bastant lenta. Una super-terra típica de la zona habitable no podrà perdre ni la meitat de la seva aigua, i durant tota l'existència, per exemple, del sistema solar.

Per tant, les estrelles més massives de l'Univers sovint tenen planetes en els quals hi ha molta aigua. Això, molt probablement, vol dir que hi ha molts més planetes com la Terra. Per tant, seria bo esbrinar si en aquests llocs hi ha la possibilitat de l'aparició i el desenvolupament d'una vida complexa.

Necessita més minerals

I aquí és on comencen els grans problemes. No hi ha anàlegs propers a les superterres amb una gran quantitat d'aigua al sistema solar i, a falta d'exemples disponibles per a l'observació, els científics planetaris literalment no tenen res per començar. Hem de mirar el diagrama de fases de l'aigua i esbrinar quins paràmetres seran per a les diferents capes dels planetes oceànides.

Diagrama de fases de l'estat de l'aigua. Les modificacions del gel s'indiquen amb números romans. Gairebé tot el gel de la Terra pertany al grup I_h, i una fracció molt petita (a l'atmosfera superior) - a I_c… Imatge: AdmiralHood / wikimedia commons / CC BY-SA 3.0

Resulta que si hi ha 540 vegades més aigua en un planeta de la mida de la Terra que aquí, llavors estarà completament cobert per un oceà de més de cent quilòmetres de profunditat. Al fons d'aquests oceans, la pressió serà tan gran que s'hi començarà a formar gel d'aquesta fase, que roman sòlid fins i tot a temperatures molt altes, ja que l'aigua es manté sòlida per l'enorme pressió.

Si el fons de l'oceà planetari està cobert d'una gruixuda capa de gel, l'aigua líquida es veurà privada del contacte amb roques sòlides de silicat. Sense aquest contacte, els minerals que hi ha, de fet, no tindran d'on venir. Pitjor, el cicle del carboni es veurà interromput.

Comencem pels minerals. Sense fòsfor, la vida -en les formes que ens coneixem- no pot existir, perquè sense ell no hi ha nucleòtids i, per tant, no hi ha ADN. Serà difícil sense calci; per exemple, els nostres ossos estan formats per hidroxilapatita, que no pot prescindir de fòsfor i calci. De vegades sorgeixen problemes amb la disponibilitat de determinats elements a la Terra. Per exemple, a Austràlia i Amèrica del Nord en diverses localitats hi va haver una absència anormalment llarga d'activitat volcànica i en els sòls d'alguns llocs hi ha una manca severa de seleni (forma part d'un dels aminoàcids, necessaris per a la vida).. A partir d'això, les vaques, les ovelles i les cabres són deficients en seleni, i de vegades això condueix a la mort del bestiar (l'addició de selenita a l'alimentació del bestiar als Estats Units i Canadà està fins i tot regulada per llei).

Alguns investigadors suggereixen que el sol factor de la disponibilitat de minerals hauria de convertir els oceans-planetes en autèntics deserts biològics, on la vida, si n'hi ha, és extremadament rara. I simplement no estem parlant de formes realment complexes.

Aire condicionat trencat

A més de les deficiències minerals, els teòrics han descobert un segon problema potencial dels planetes-oceà, potser fins i tot més important que el primer. Estem parlant de mal funcionament del cicle del carboni. Al nostre planeta, és el principal motiu de l'existència d'un clima relativament estable. El principi del cicle del carboni és senzill: quan el planeta es torna massa fred, l'absorció de diòxid de carboni per les roques es ralenteix bruscament (el procés d'aquesta absorció es produeix ràpidament només en un ambient càlid). Al mateix temps, els "subministraments" de diòxid de carboni amb erupcions volcàniques van al mateix ritme. Quan la unió del gas disminueix i el subministrament no disminueix, la concentració de CO₂ augmenta de manera natural. Els planetes, com sabeu, es troben al buit de l'espai interplanetari, i l'única forma significativa de pèrdua de calor per a ells és la seva radiació en forma d'ones infrarojes. El diòxid de carboni absorbeix aquesta radiació de la superfície del planeta, per això l'atmosfera s'escalfa lleugerament. Això fa evaporar el vapor d'aigua de la superfície de l'aigua dels oceans, que també absorbeix la radiació infraroja (un altre gas d'efecte hivernacle). Com a resultat, és el CO₂ el que actua com a principal iniciador en el procés d'escalfament del planeta.

És aquest mecanisme el que fa que les glaceres a la Terra acabin tard o d'hora. Tampoc permet que es sobreescalfi: a temperatures excessivament altes, el diòxid de carboni s'uneix més ràpidament per les roques, després de la qual cosa, a causa de la tectònica de les plaques de l'escorça terrestre, s'enfonsen gradualment al mantell. nivell de CO₂cau i el clima es torna més fresc.

Difícilment es pot sobreestimar la importància d'aquest mecanisme per al nostre planeta. Imagineu-vos per un segon l'avaria d'un aparell d'aire condicionat de carboni: per exemple, els volcans han deixat d'esclatar i ja no alliberen diòxid de carboni de les entranyes de la Terra, que una vegada hi va baixar amb antigues plaques continentals. La primera glaciació esdevindrà literalment eterna, perquè com més gel hi hagi al planeta, més radiació solar reflecteix a l'espai. I una nova porció de CO₂ no podrà descongelar el planeta: no tindrà d'on venir.

Així és exactament com, en teoria, hauria de ser als planetes-oceàs. Fins i tot si l'activitat volcànica de vegades pot trencar la closca de gel exòtic al fons de l'oceà planetari, hi ha poc de bo. De fet, a la superfície del món marí, simplement no hi ha roques que puguin unir l'excés de diòxid de carboni. És a dir, pot començar la seva acumulació incontrolada i, en conseqüència, el sobreescalfament del planeta.

Alguna cosa semblant, cert, sense cap oceà planetari, va passar a Venus. Tampoc hi ha tectònica de plaques en aquest planeta, encara que no se sap realment per què va passar això. Per tant, les erupcions volcàniques allà, trencant-se de vegades a través de l'escorça, introdueixen molt diòxid de carboni a l'atmosfera, però la superfície no el pot unir: les plaques continentals no s'enfonsen i no n'aixequen de noves. Per tant, la superfície de les lloses existents ja ha lligat tot el CO₂, que podria i no pot absorbir més, i fa tanta calor a Venus que el plom sempre hi romandrà líquid. I això malgrat que, segons la modelització, amb l'atmosfera terrestre i el cicle del carboni, aquest planeta seria un bessó habitable de la Terra.

Hi ha vida sense aire condicionat?

Els crítics del "xovinisme terrestre" (la posició que la vida només és possible en "còpies de la Terra", planetes amb condicions estrictament terrestres) es van preguntar immediatament: per què, de fet, tothom va decidir que els minerals no serien capaços de trencar un capa de gel exòtic? Com més forta i impenetrable és la tapa sobre alguna cosa calenta, més energia s'acumula sota ella, que tendeix a esclatar. Aquí hi ha la mateixa Venus: sembla que la tectònica de plaques no existeix, i el diòxid de carboni es va escapar de les profunditats en quantitats tals que no hi ha vida en el sentit literal de la paraula. En conseqüència, el mateix és possible amb l'eliminació de minerals cap amunt: les roques sòlides durant les erupcions volcàniques cauen completament cap amunt.

Tot i així, queda un altre problema: el "aire condicionat trencat" del cicle del carboni. Pot ser habitable un planeta oceànic sense ell?

Hi ha molts cossos al sistema solar sobre els quals el diòxid de carboni no té en absolut el paper de principal regulador del clima. Aquí hi ha, per exemple, Tità, una gran lluna de Saturn.

Titani. Foto: NASA / JPL-Caltech / Stéphane Le Mouélic, Universitat de Nantes, Virginia Pasek, Universitat d'Arizona

El cos és insignificant en comparació amb la massa de la Terra. Tanmateix, es va formar lluny del Sol, i la radiació de la lluminària no va "evaporar" d'ella els elements lleugers, inclòs el nitrogen. Això dóna a Tità una atmosfera de nitrogen gairebé pur, el mateix gas que domina el nostre planeta. Però la densitat de la seva atmosfera de nitrogen és quatre vegades més gran que la nostra: amb la gravetat és set vegades més feble.

A primer cop d'ull al clima de Titan, hi ha una sensació constant que és extremadament estable, tot i que no hi ha un aire condicionat de "carboni" en la seva forma directa. N'hi ha prou amb dir que la diferència de temperatura entre el pol i l'equador de Tità és de només tres graus. Si la situació fos la mateixa a la Terra, el planeta estaria molt més uniformement poblat i en general més adequat per a la vida.

A més, els càlculs de diversos grups científics han demostrat: amb una densitat de l'atmosfera cinc vegades superior a la de la Terra, és a dir, una quarta part superior a la de Tità, fins i tot l'efecte hivernacle del nitrogen només és suficient perquè les fluctuacions de temperatura baixin. a gairebé zero. En un planeta així, dia i nit, tant a l'equador com al pol, la temperatura sempre seria la mateixa. La vida terrestre només pot somiar amb una cosa així.

Els planetes-oceàs pel que fa a la seva densitat es troben just al nivell de Tità (1, 88 g / cm ³), i no a la Terra (5, 51 g / cm ³). Diguem que tres planetes de la zona habitable de TRAPPIST-1 a 40 anys llum de nosaltres tenen una densitat d'1,71 a 2,18 g/cm³. En altres paraules, el més probable és que aquests planetes tinguin una densitat d'atmosfera de nitrogen més que suficient per tenir un clima estable a causa només del nitrogen. El diòxid de carboni no els pot convertir en Venus roent, perquè una massa molt gran d'aigua pot unir molt diòxid de carboni fins i tot sense cap tectònica de plaques (el diòxid de carboni és absorbit per l'aigua, i com més alta sigui la pressió, més pot contenir-lo).).

Deserts de mar profund

Amb hipotètics bacteris i arquees extraterrestres, tot sembla senzill: poden viure en condicions molt difícils i per a això no necessiten en absolut l'abundància de molts elements químics. És més difícil amb les plantes i una vida altament organitzada que viuen al seu càrrec.

Per tant, els planetes oceànics poden tenir un clima estable, molt probablement més estable que el que té la Terra. També és possible que hi hagi una quantitat notable de minerals dissolts a l'aigua. I tanmateix, la vida allà no hi ha gens de Carnaval.

Fem una ullada a la Terra. Excepte els darrers milions d'anys, la seva terra és extremadament verda, gairebé sense taques marrons o grogues dels deserts. Però l'oceà no sembla gens verd, excepte en algunes zones costaneres estretes. Per què això?

El cas és que al nostre planeta l'oceà és un desert biològic. La vida requereix diòxid de carboni: "construeix" biomassa vegetal i només d'ella es pot alimentar la biomassa animal. Si hi ha CO a l'aire que ens envolta₂ més de 400 ppm com està ara, la vegetació està florint. Si fossin menys de 150 parts per milió, tots els arbres moririen (i això podria passar en mil milions d'anys). Amb menys de 10 parts de CO₂ per milió moririen totes les plantes en general, i amb elles totes formes de vida realment complexes.

A primera vista, això hauria de significar que el mar és una autèntica extensió per a la vida. De fet, els oceans terrestres contenen cent vegades més diòxid de carboni que l'atmosfera. Per tant, hi hauria d'haver molt material de construcció per a les plantes.

De fet, res més lluny de la realitat. L'aigua dels oceans de la Terra és d'1,35 quintilions (milions de milions de milions) de tones, i l'atmosfera és de poc més de cinc quadrilions (milions de milions de milions) de tones. És a dir, hi ha notablement menys CO en una tona d'aigua.₂que una tona d'aire. Les plantes aquàtiques dels oceans de la Terra gairebé sempre tenen molt menys CO₂ a la seva disposició que els terrestres.

Per empitjorar les coses, les plantes aquàtiques només tenen una bona taxa metabòlica en aigua tèbia. És a dir, en ell, CO₂ menys de tot, perquè la seva solubilitat en aigua disminueix amb l'augment de la temperatura. Per tant, les algues -en comparació amb les plantes terrestres- existeixen en condicions de deficiència colossal de CO constant.₂.

És per això que els intents dels científics de calcular la biomassa dels organismes terrestres mostren que el mar, que ocupa dos terços del planeta, fa una contribució insignificant a la biomassa total. Si prenem la massa total de carboni, el material clau de la massa seca de qualsevol ésser viu, els habitants de la terra, llavors és igual a 544 mil milions de tones. I als cossos dels habitants dels mars i oceans: només sis mil milions de tones, molles de la taula del mestre, una mica més d'un per cent.

Tot això pot fer pensar que encara que la vida als planetes-oceà és possible, serà molt, molt antiestètica. La biomassa de la Terra, si estigués coberta per un oceà, en igualtat de coses, seria, en termes de carboni sec, només 10.000 milions de tones, cinquanta vegades menys que ara.

Tanmateix, fins i tot aquí és massa aviat per acabar amb els mons aquàtics. El fet és que ja a una pressió de dues atmosferes, la quantitat de CO₂, que es pot dissoldre en aigua de mar, més del doble (per a una temperatura de 25 graus). Amb atmosferes de quatre a cinc vegades més denses que la de la Terra, i això és exactament el que s'esperaria en planetes com TRAPPIST-1e, g i f, hi pot haver tant diòxid de carboni a l'aigua que l'aigua dels oceans locals començarà a apropar-se. l'aire de la Terra. En altres paraules, les plantes aquàtiques dels planetes i oceans es troben en condicions molt millors que al nostre planeta. I on hi ha més biomassa verda, i els animals tenen una millor base alimentària. És a dir, a diferència de la Terra, els mars dels planetes-oceans potser no són deserts, sinó oasis de vida.

Planetes Sargassos

Però què fer si el planeta oceànic, a causa d'un malentès, encara té la densitat de l'atmosfera terrestre? I aquí no tot està tan malament. A la Terra, les algues tendeixen a unir-se al fons, però on no hi ha condicions per a això, resulta que les plantes aquàtiques poden nedar.

Algunes de les algues sargasses utilitzen sacs plens d'aire (s'assemblen al raïm, d'aquí la paraula portuguesa "sargasso" en el nom del mar dels Sargassos) per proporcionar flotabilitat, i en teoria això us permet prendre CO₂ de l'aire, i no de l'aigua, on és escassa. A causa de la seva flotabilitat, els és més fàcil fer la fotosíntesi. És cert que aquestes algues es reprodueixen bé només a temperatures de l'aigua força altes i, per tant, a la Terra només són relativament bones en alguns llocs, com ara el mar dels Sargassos, on l'aigua és molt càlida. Si el planeta oceànic és prou càlid, fins i tot la densitat atmosfèrica de la terra no és un obstacle insuperable per a les plantes marines. És possible que prenguin CO₂ de l'atmosfera, evitant els problemes de baix diòxid de carboni a l'aigua tèbia.

Algues sargasses. Foto: Allen McDavid Stoddard / Photodom / Shutterstock

Curiosament, les algues flotants al mateix mar dels Sargassos donen lloc a tot un ecosistema flotant, una cosa així com una "terra flotant". Hi viuen crancs, per als quals la flotabilitat de les algues és suficient per moure's per la seva superfície com si fos terra. Teòricament, a les zones tranquil·les del planeta oceànic, els grups flotants de plantes marines poden desenvolupar una vida bastant "terrestre", encara que no hi trobareu terra.

Comprova el teu privilegi, terrícola

El problema d'identificar els llocs més prometedors per a la recerca de vida és que fins ara disposem de poques dades que ens permetin identificar els portadors de vida més probables entre els planetes candidats. Per si mateix, el concepte de "zona habitable" no és el millor assistent aquí. En ell, es consideren aptes per a la vida aquells planetes que reben de la seva estrella una quantitat suficient d'energia per suportar dipòsits líquids almenys en una part de la seva superfície. Al sistema solar, tant Mart com la Terra es troben a la zona habitable, però al principi la vida complexa a la superfície és d'alguna manera imperceptible.

Principalment perquè aquest no és el mateix món que la Terra, amb una atmosfera i una hidrosfera fonamentalment diferents. La representació lineal a l'estil de "el planeta-oceà és la Terra, però només està cobert d'aigua" ens pot portar al mateix engany que existia a principis del segle XX sobre la idoneïtat de Mart per a la vida. Les oceànides reals poden diferir molt del nostre planeta: tenen una atmosfera completament diferent, diferents mecanismes d'estabilització del clima i fins i tot diferents mecanismes per subministrar diòxid de carboni a les plantes marines.

Una comprensió detallada de com funcionen realment els mons aquàtics ens permet entendre per endavant quina serà la zona habitable per a ells i, per tant, apropar-nos ràpidament a observacions detallades d'aquests planetes a James Webb i altres grans telescopis prometedors.

En resum, no es pot deixar d'admetre que fins fa molt poc les nostres idees sobre quins mons estan realment habitats i quins no, patien massa l'antropocentrisme i el geocentrisme. I, com ara resulta, del "sushcentrisme": l'opinió que si nosaltres mateixos vam sorgir a la terra, llavors és el lloc més important en el desenvolupament de la vida, i no només al nostre planeta, sinó també en altres sols. Potser les observacions dels propers anys no deixaran una pedra sense girar des d'aquest punt de vista.