El metano y la zona habitable alrededor de una estrella.
El concepto de zona de habitabilidad o zona habitable (ZH) es probablemente uno de los más incomprendidos y de los que más confusión ha creado en la astronomía durante las últimas décadas. La zona de habitabilidad es esa región alrededor de una estrella en la que un planeta, dadas las condiciones adecuadas, puede tener agua líquida en su superficie. La letra pequeña viene en esas «condiciones adecuadas», porque ahí se juntan todo tipo de factores, desde como tener una atmósfera lo suficientemente densa o un periodo de rotación adecuado junto con otros como poseer un campo magnético intenso o tectónica de placas. Es más, desconocemos la influencia real de muchos de estos factores a la hora de garantizar la presencia de agua líquida. Además el concepto solo se refiere al agua, no a la vida, porque toda la vida en la Tierra necesita de agua para sobrevivir. Pero evidentemente el gran público cuando lee que se ha descubierto un «planeta habitable» o, con menos dramatismo, «potencialmente habitable» se imagina algo más que agua.
La zona habitable alrededor de varios tipos de estrellas.
Sea como sea, entre los principales factores que determinan la zona habitable es la composición atmosférica. En concreto, los límites de la zona habitable tal y cómo la conocemos dependen fuertemente del dióxido de carbono y el agua. El límite interior de la ZH clásica viene dado por la distancia a la estrella en la que las temperaturas superficiales de un planeta superan la del punto crítico del agua (374 ºC). Cualquier planeta con mares u océanos que esté más cerca de la estrella que este límite sufrirá un efecto invernadero desbocado que terminará con la evaporación total de todas las masas de agua y el incremento de la temperatura media, ya que el vapor de agua es también un potente gas de efecto invernadero. Y, sí, esto es lo que creemos que le sucedió a Venus.
Imagen del vergel que podría haber sido Venus en el pasado y del infierno en que se ha convertido ahora. Y muy probablemente el vapor de agua fue un factor importante en ese proceso.
Por contra el límite exterior lo dicta el dióxido de carbono. Este compuesto es, como todos sabemos, un gas invernadero que en principio permite mantener la zona habitable a distancias considerables de la estrella. No obstante, llega un momento en que la temperatura baja lo suficiente para que el dióxido de carbono se condense para formar nubes y escarcha, lo que a su vez acelera el descenso de temperaturas e impide la presencia de agua líquida. En el sistema solar los límites internos y externos están situados a 0,95 y 1,67 Unidades Astronómicas respectivamente. Esto significa que la Tierra está muy cerca del límite interior —y por eso dejará de ser habitable dentro de «solo» mil millones de años a pesar de que al Son aún le quedan más de cuatro mil millones de años de vida—, mientras que Marte está cerca del límite exterior (si Marte no tiene agua líquida no es porque no esté en la zona habitable, sino porque es demasiado pequeño para haber retenido una atmósfera densa).
Infografía sobre la zona habitable en nuestro sistema solar.
El dióxido de carbono y el agua son compuestos muy comunes en las atmósferas de los planetas rocosos —no en vano el oxígeno y el carbono son el tercer y el cuarto elemento más comunes en el Universo—, ¿pero qué pasa si añadimos otros gases? Curiosamente, el límite interior es prácticamente insensible a distintas combinaciones de gases y se mantiene estable, pero el límite exterior es otra cosa. Este límite se puede ampliar fácilmente gracias a la presencia de otros compuestos. El más famoso es el hidrógeno. Hasta ahora se pensaba que esta molécula, la más común del Universo, solo era abundante en las atmósferas de los planetas gigantes, pero ahora sabemos que los volcanes de los planetas rocosos pueden inyectar ingentes cantidades de hidrógeno a la atmósfera durante la juventud de un sistema estelar. La eficacia de este gas es tal que una atmósfera de alta presión (unos 40 bares) de hidrógeno sería capaz de ampliar la zona habitable de un planeta como la Tierra hasta los 1500 millones de kilómetros (10 UA), o sea, la órbita de Saturno.
Saturno. Con hidrógeno y una presión alta, la Tierra sería habitable en esa órbita.
El hidrógeno puede jugar un papel en la habitabilidad de planetas rocosos durante sus primeras etapas, pero no a medio o largo plazo (termina por perderse al espacio). El metano sin embargo es muy diferente. En la Tierra el metano es un gas invernadero notable y se ha sugerido que este compuesto, junto con el hidrógeno, podría explicar la «paradoja del Sol débil» (el Sol era menos brillante en su juventud y sin embargo la Tierra y, especialmente, Marte, eran habitables ya entonces). Además el metano se produce mediante la actividad interna de un planeta y, especialmente, por acción de organismos vivos —el 90% del metano terrestre tiene un origen biótico—, así que su conexión con la vida es más estrecha que en el caso del hidrógeno. Entonces, ¿qué pasa con la zona habitable si añadimos metano?
Efecto del metano en el límite exterior de la zona habitable según el tipo de estrella.
Pues la respuesta la han buscado los investigadores Ramsés Ramírez y Lisa Kaltenegger. Y es curiosa porque no es tan directa como podríamos pensar. Sí, el metano es un gas invernadero, pero su efectividad depende del tipo de estrella. Al añadir metano a un planeta con una «atmósfera clásica» de nitrógeno, vapor de agua y dióxido de carbono la temperatura sube y, por tanto, la zona habitable se desplaza hacia el exterior. En concreto una concentración de metano que sea el 10% de la de dióxido de carbono logra ampliar el límite externo de la ZH hasta en un 20%. Buenas noticias para la vida. Pero, siempre hay un pero, esto solo es válido para estrellas más brillantes y calientes que las de tipo espectral K3. O sea, esta conclusión afecta a las estrellas de tipo solar, así que serviría para explicar la paradoja del Sol débil en el caso de Marte. No obstante, para estrellas más débiles y pequeñas, incluyendo las enanas rojas, el metano se comporta como un gas «antiinvernadero», reduciendo la temperatura media del planeta. El efecto sobre la extensión de la ZH es igual de intenso que en el caso de las estrellas más brillantes, pero de efecto contrario.
Efecto del metano en el exterior de la ZH para varios tipos de estrellas en función de la concentración.
Este resultado es importante ahora que hemos descubierto varios planetas potencialmente habitables alrededor de enanas rojas como Proxima Centauri o TRAPPIST-1. Todavía desconocemos muchas cosas sobre las condiciones de estos planetas, pero sí sabemos que las enanas rojas suelen ser estrellas muy temperamentales que emiten frecuentemente fulguraciones —algunas más que otras: TRAPPIST-1 es mucho más tranquila que Proxima, por ejemplo—, así que cuanto más cerca del borde exterior de su zona habitable se encuentren, mejor que mejor. Y, no obstante, el metano ya no nos sirve como gas invernadero en mundos relativamente fríos alrededor de estrellas enanas rojas.
Las enanas rojas son las estrellas más abundantes del universo. Pero también las más temperamentales, con frecuentes tormentas "estelares". Así que estar en el borde interno de la zona habitable de una de estas estrellas, como la Tierra con el Sol (aquí representada), tiene sus pros y sus contras. Los gases invernaderos serían más eficientes, pero las dosis de radiación serían mucho mayores.
En definitiva, este estudio nos demuestra que si queremos valorar adecuadamente la habitabilidad de un mundo nos debemos fijar muy bien en qué otros gases están presentes y de qué tipo de estrella se trata.
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