Los planetas contienen más agua de la que se pensaba
Para sorpresa de los astrónomos, el corazón de los exoplanetas podría contener una sopa de magma rica en agua y hierro, según una nueva investigación.
Por Barbara Vonarburg
GJ 1214 b es un planeta extrasolar que orbita la estrella GJ 1214, aproximadamente a 40 años luz, en la constelación de Ofiuco. Los planetas oceánicos de magma que contienen agua, como este, solo albergarán una pequeña fracción de esta agua en su superficie. La mayor parte se almacena en lo profundo de sus interiores. Cortesía: NASA
Sabemos que la Tierra tiene un núcleo de hierro rodeado por un manto de roca madre de silicato y agua (océanos) en su superficie. Hasta hoy, la ciencia ha utilizado este modelo simple de planeta para investigar los exoplanetas, planetas que orbitan alrededor de otra estrella fuera de nuestro sistema solar.
«Solo en los últimos años hemos empezado a darnos cuenta de que los planetas son más complejos de lo que pensábamos», afirma Caroline Dorn, catedrática de Exoplanetas de la ETH de Zúrich (Suiza).
La mayoría de los exoplanetas conocidos en la actualidad se encuentran cerca de su estrella. Esto significa que están formados principalmente por mundos calientes con océanos de magma fundido que aún no se han enfriado para formar un manto sólido de lecho rocoso de silicatos como la Tierra.
El agua se disuelve muy bien en estos océanos de magma, a diferencia, por ejemplo, del dióxido de carbono, que se desgasta rápidamente y se eleva a la atmósfera.
¿Cómo se distribuye el agua entre los silicatos y el hierro dentro de un exoplaneta?
El núcleo de hierro se encuentra debajo del manto fundido de silicatos. Entonces ¿cómo se distribuye el agua entre los silicatos y el hierro? Esto es precisamente lo que Dorn ha investigado en colaboración con Haiyang Luo y Jie Deng, de la Universidad de Princeton (EE. UU.) con la ayuda de cálculos de modelos basados en leyes fundamentales de la física. Los investigadores han presentado sus resultados en la revista Nature Astronomy.
Para explicar los resultados, Dorn tiene que entrar en algunos detalles: «El núcleo de hierro tarda en desarrollarse. Una gran parte de este metal está contenida inicialmente en la sopa de magma caliente en forma de gotitas», explica Dorn.
El agua secuestrada en esta sopa se combina con estas lágrimas de hierro y se hunde con ellas hasta el núcleo. «Las gotitas de hierro se comportan como un ascensor que es transportado hacia abajo por el agua», explica Dorn.
Hasta ahora, solo se sabía que este comportamiento se producía a presiones moderadas, como las que existen en la Tierra. Se desconocía qué ocurría en el caso de planetas más grandes con condiciones interiores de mayor presión.
Dentro de la Tierra también se encuentran grandes cantidades de agua
«Este es uno de los resultados clave de nuestro estudio —comenta Dorn. Y continúa—: Cuanto más grande es el planeta y mayor es su masa, más tiende el agua a irse con las gotitas de hierro e integrarse en el núcleo. En determinadas circunstancias, el hierro puede absorber hasta setenta veces más agua que los silicatos. Sin embargo, debido a la enorme presión existente en el núcleo, el agua ya no adopta la forma de moléculas de H2O, sino que está presente en forma de hidrógeno y oxígeno».
Este estudio fue se inspiró en las investigaciones relacionadas con el contenido de agua de la Tierra, que arrojaron un resultado sorprendente hace cuatro años: los océanos en la superficie de la Tierra solo contienen una pequeña fracción del agua total de nuestro planeta.
El contenido de más de ochenta de los océanos de la Tierra podría estar oculto en su interior. Esto se demuestra mediante simulaciones que calculan cómo se comporta el agua en condiciones del tipo que prevalecían cuando la Tierra era joven. Por lo tanto, los experimentos y las mediciones sismológicas son compatibles.
El interior de la Tierra podría contener tanta agua como la de ochenta océanos. Foto: Elianne Dipp
Los nuevos hallazgos sobre la distribución del agua en los planetas tienen consecuencias importantes para la interpretación de los datos de las observaciones astronómicas. Utilizando sus telescopios en el espacio y en la Tierra, los astrónomos pueden, en determinadas condiciones, medir el peso y el tamaño de un exoplaneta.
Con estos cálculos elaboran diagramas masa-radio que permiten sacar conclusiones sobre la composición del planeta. Si al hacerlo, como se ha hecho hasta ahora, se ignoran la solubilidad y la distribución del agua, el volumen de agua puede subestimarse drásticamente hasta diez veces. «Los planetas son mucho más ricos en agua de lo que se creía», afirma Dorn.
Comprender la historia de la evolución
La distribución del agua también es importante si queremos entender cómo se forman y desarrollan los planetas. El agua que se ha hundido en el núcleo permanece atrapada allí para siempre. Sin embargo, el agua disuelta en el océano magmático del manto puede desgasificarse y subir a la superficie durante el enfriamiento del manto. «Así que si encontramos agua en la atmósfera de un planeta, probablemente haya mucha más en su interior», explica Dorn.
Esto es lo que persigue encontrar el telescopio espacial James Webb, que desde hace dos años envía datos del espacio a la Tierra. Es capaz de rastrear moléculas en la atmósfera de los exoplanetas. «Solo se puede medir directamente la composición de la atmósfera superior de los exoplanetas —dice el científico. Y añade—: Nuestro grupo desea hacer la conexión de la atmósfera con las profundidades internas de los cuerpos celestes».
Los nuevos datos del exoplaneta TOI-270d son particularmente interesantes. "Allí se han recogido pruebas de la existencia real de tales interacciones entre el océano de magma en su interior y la atmósfera", dice Dorn, que participó en la publicación correspondiente sobre TOI-270d. Su lista de objetos interesantes que desea examinar más de cerca también incluye el planeta K2-18b, que llegó a los titulares debido a la probabilidad de que hubiera vida en él.
TOI-270 d es un exoplaneta similar a Neptuno que orbita alrededor de una estrella de tipo M. Allí se han recogido pruebas de la existencia real de tales interacciones entre el océano de magma en su interior y la atmósfera. Imagen: NASA
El agua es una de las condiciones previas para el desarrollo de la vida. Durante mucho tiempo se ha especulado sobre la habitabilidad potencial de las supertierras con abundancia de agua, es decir, planetas con una masa varias veces superior a la de la Tierra y con una superficie cubierta por un océano profundo y global.
Los cálculos sugirieron entonces que demasiada agua podría ser hostil para la vida. El argumento era que en estos mundos de agua una capa de hielo exótico a alta presión impediría el intercambio de sustancias vitales en la interfaz entre el océano y el manto del planeta.
El nuevo estudio llega ahora a una conclusión diferente: es probable que los planetas con capas de agua profundas sean una rareza, ya que la mayor parte del agua de las supertierras no se encuentra en la superficie, como se suponía hasta ahora, sino atrapada en el núcleo.
Esto lleva a los científicos a suponer que incluso los planetas con un contenido de agua relativamente alto podrían tener el potencial de desarrollar condiciones de habitabilidad similares a las de la Tierra. Como concluyen Dorn y sus colegas, su estudio arroja así una nueva luz sobre la posible existencia de mundos con abundancia de agua que podrían albergar vida. ▪️
Información facilitada por la ETH de Zúrich -Adaptación: Enrique Coperías / RexMolón Producciones
Fuente: Luo, H., Dorn, C. & Deng, J. The interior as the dominant water reservoir in super-Earths and sub-Neptunes. Nature Astronomy (2024). DOI: https://doi.org/10.1038/s41550-024-02347-z
