Estrellas enanas rojas impiden que haya vida en su zona habitable

Un equipo interdisciplinario de científicos de la NASA quiere ampliar cómo se definen las zonas habitables, teniendo en cuenta el impacto de la actividad estelar, que puede amenazar la atmósfera de un exoplaneta con la pérdida de oxígeno. Esta investigación fue publicada en Astrophysical Journal Letters el 6 de febrero de 2017.

"Si queremos encontrar un exoplaneta que pueda desarrollar y mantener la vida, debemos averiguar qué estrellas son los mejores progenitores", dijo en un comunicado Vladimir Airapetian, autor principal del estudio y científico solar en el Goddard Space Flight Center de la NASA en Greenbelt, Maryland. "Estamos llegando más cerca de la comprensión de qué tipo de estrellas progenitoras necesitamos."

Para determinar la zona habitable de una estrella, los científicos han considerado tradicionalmente cuánto calor y luz emite la estrella. Estrellas más masivas que nuestro sol producen más calor y luz, por lo que la zona habitable debe estar más lejos. Las estrellas más pequeñas y más frías producen zonas cercanas.

Pero junto con el calor y la luz visible, las estrellas emiten rayos X y radiación ultravioleta, y producen erupciones estelares tales como llamaradas y eyecciones de masa coronal, denominadas colectivamente tiempo espacial. Un efecto posible de esta radiación es la erosión atmosférica, en la cual las partículas de alta energía arrastran las moléculas atmosféricas - como el hidrógeno y el oxígeno, los dos ingredientes para el agua - hacia el espacio. Airapetian y el nuevo modelo de zonas habitables de su equipo toman en cuenta este efecto.

La búsqueda de planetas habitables a menudo se aplica a las enanas rojas, ya que éstas son las estrellas más recientes, más pequeñas y más numerosas del universo, y por lo tanto relativamente susceptibles a la detección de pequeños planetas.

"En el lado negativo, las enanas rojas también son propensas a erupciones estelares más frecuentes y poderosas que el sol", dijo William Danchi, astrónomo de Goddard y coautor del artículo. "Para evaluar la habitabilidad de los planetas alrededor de estas estrellas, necesitamos entender cómo estos diversos efectos equilibran".

Otro factor importante de la habitabilidad es la edad de una estrella, dicen los científicos, basada en las observaciones que han obtenido de la misión Kepler de la NASA. Cada día, las estrellas jóvenes producen superllamaradas y erupciones al menos 10 veces más poderosas que las observadas en el sol. En sus contrapartes más maduras, que se asemejan a nuestro sol de mediana edad hoy en día, tales superllamaradas sólo se observan una vez cada 100 años.

"Cuando miramos a enanas rojas jóvenes en nuestra galaxia, vemos que son mucho menos luminosas que nuestro sol hoy", dijo Airapetian. "Por la definición clásica, la zona habitable alrededor de las enanas rojas debe ser de 10 a 20 veces más cerca de lo que la Tierra está del Sol. Ahora sabemos que estas estrellas enanas rojas generan una gran cantidad de rayos X y las emisiones ultravioleta extremas en las zonas habitables de exoplanetas a través de llamaradas frecuentes y tormentas estelares".

Las superllamaradas causan erosión atmosférica cuando las radiaciones de alta energía y las radiaciones ultravioletas extremas primero rompen las moléculas en átomos y después ionizan los gases atmosféricos. Durante la ionización, la radiación golpea a los átomos y derriba a los electrones. Los electrones son mucho más ligeros que los iones recién formados, por lo que escapan de la atracción de la gravedad mucho más fácilmente y escapan hacia el espacio.

Los opuestos se atraen; a medida que se generan más y más electrones cargados negativamente, crean una poderosa separación de carga que atrae iones cargados positivamente fuera de la atmósfera en un proceso llamado escape de iones.

"Sabemos que el escape de iones de oxígeno ocurre en la Tierra a una escala menor, ya que el sol exhibe sólo una fracción de la actividad de las estrellas más jóvenes", dijo Alex Glocer, astrofísico de Goddard y coautor del artículo. "Para ver cómo este efecto se escala cuando se obtiene más entrada de alta energía como se vería a partir de estrellas jóvenes, hemos desarrollado un modelo".

El modelo estima el escape de oxígeno en los planetas alrededor de las enanas rojas, asumiendo que no compensan con la actividad volcánica o el bombardeo de cometas. Varios modelos anteriores de erosión atmosférica indicaron que el hidrógeno es más vulnerable al escape de iones. Como elemento más ligero, el hidrógeno escapa fácilmente al espacio, presumiblemente dejando atrás una atmósfera rica en elementos más pesados como el oxígeno y el nitrógeno.

Pero cuando los científicos incluyeron superllamaradas, su nuevo modelo indica que las violentas tormentas de jóvenes enanas rojas generan suficiente radiación de alta energía para permitir el escape de incluso oxígeno y nitrógeno, bloques de construcció para las moléculas esenciales de la vida.

"Cuanta más energía de rayos X y ultravioleta extrema haya, más electrones se generan y más fuerte será el efecto de escape de iones", dijo Glocer. "Este efecto es muy sensible a la cantidad de energía que la estrella emite, lo que significa que debe desempeñar un papel importante en la determinación de lo que es y no es un planeta habitable ".

Considerando el escape de oxígeno por sí solo, el modelo estima que una joven enana roja podría hacer que un exoplaneta cercano se inhabilite en pocas decenas a cien millones de años. La pérdida de hidrógeno atmosférico y oxígeno reduciría y eliminaría el suministro de agua del planeta antes de que la vida tuviera la oportunidad de desarrollarse.

Modelar la tasa de pérdida de oxígeno es el primer paso en los esfuerzos del equipo para ampliar la definición clásica de habitabilidad en lo que llaman zonas habitables afectadas por el clima espacial. Cuando los exoplanetas orbitan una estrella madura con un clima templado, la definición clásica es suficiente. Cuando la estrella anfitriona exhibe rayos X y niveles ultravioleta extremos, mayores de siete a diez veces las emisiones promedio de nuestro sol, entonces se aplica la nueva definición. El trabajo futuro del equipo incluirá modelar el escape del nitrógeno, que puede ser comparable al escape del oxígeno, puesto que el nitrógeno es apenas ligeramente más ligero que oxígeno.

El nuevo modelo de habitabilidad tiene implicaciones para el planeta recientemente descubierto orbitando la enana roja Proxima Centauri, nuestro vecino estelar más cercano. Airapetian y su equipo aplicaron su modelo al planeta aproximadamente del tamaño de la Tierra, llamado Proxima b, que orbita Proxima Centauri 20 veces más cerca que la Tierra al sol.

Teniendo en cuenta la edad de la estrella de acogida y la proximidad del planeta a su estrella anfitriona, los científicos esperan que Proxima b se ve sometido a torrentes de rayos X y radiación ultravioleta extrema de superllamaradas que ocurren aproximadamente cada dos horas. Estiman que el oxígeno escaparía a la atmósfera de Proxima b en 10 millones de años. Además, la intensa actividad magnética y el viento estelar agudizan las ya duras condiciones climáticas espaciales. Los científicos concluyeron que es bastante improbable que Proxima b sea habitable.

"Tenemos resultados pesimistas para planetas alrededor de jóvenes enanas rojas en este estudio, pero también tenemos una mejor comprensión de qué estrellas tienen buenas perspectivas de habitabilidad", dijo Airapetian. "A medida que aprendemos más acerca de lo que necesitamos de una estrella anfitriona, parece cada vez más que nuestro sol es sólo una de esas estrellas progenitoras perfectas, para haber apoyado la vida en la Tierra".