¿Cuál es el tiempo más corto posible desde el Big Bang que podría tomar formar un planeta con elementos pesados ​​como la Tierra?

Para construir un planeta necesitas muchos escombros y eso significa muchos elementos pesados, cosas más masivas que los átomos de hidrógeno y helio. La composición elemental de la nebulosa colapsante que dio origen al Sol y los planetas del Sistema Solar incluía cosas como hierro, silicio y magnesio que forman la mayor parte de los planetas rocosos, y carbono, oxígeno, nitrógeno, potasio y otros elementos similares. Esencial para la vida.

Sin embargo, estos materiales estaban presentes en pequeñas cantidades, que no representaban más del dos por ciento de toda la nebulosa que de otro modo estaba dominada por hidrógeno (74 por ciento) y helio (24 por ciento). Sin embargo, esta nube gaseosa era enorme; Se estima que albergaba suficientes elementos pesados ​​para construir al menos treinta planetas como la Tierra.

Estos elementos pesados, ‘metales’ en el lenguaje de los astrónomos, no solo se materializan de la nada. Son los productos del poder de fusión dentro de las estrellas, posteriormente arrojados a través del cosmos en las ondas de explosión de supernovas, uniendo el medio interestelar con las materias primas para los planetas. Para acumular suficientes de estos materiales, muchas estrellas primero deben vivir y morir, cada una contribuyendo a la química evolutiva del universo, pero cuánto material se necesita realmente para construir un planeta y qué tan rápido el universo acumuló un nivel suficiente para hacerlo. ¿entonces?

Planetas de metales pesados

La Tierra nació de los escombros de un disco protoplanetario alrededor de un sol naciente hace 4.54 mil millones de años, una gran cantidad de tiempo en el libro de cualquiera. Sin embargo, el universo tiene 13.700 millones de años: el Sistema Solar ha existido solo durante el último tercio de la historia cósmica. ¿Es posible que planetas rocosos se hayan formado alrededor de otras estrellas mucho antes? ¿Somos los nuevos niños en el bloque en comparación?

Hasta hace poco, no lo creíamos así. La sabiduría predominante había sido que la magia de la alquimia estelar no producía suficientes “cosas estelares” útiles para construir mundos terrestres hasta al menos seis o siete mil millones de años después del Big Bang. Los estudios iniciales de exoplanetas respaldaron esto, encontrando mundos alrededor de las estrellas con una “metalicidad” (es decir, una abundancia de elementos pesados) igual o mayor que nuestro Sol. Sin embargo, resulta que los prejuicios que afectaron nuestra caza planetaria temprana también sesgaron nuestra comprensión de los tipos de estrellas que podrían formar planetas. Hasta 2009 y el lanzamiento de la misión Kepler de la NASA, la gran mayoría de los exoplanetas que se sabe que existían eran gigantes gaseosos cerca de sus estrellas, simplemente porque eran los más fáciles de detectar. Estos planetas parecían preferir estrellas de mayor metalicidad.

Kepler, sin embargo, ha cambiado la forma en que vemos los exoplanetas. Simplemente observando tantos a la vez en su campo de visión, el telescopio espacial está realizando un censo sin precedentes de mundos alienígenas. Hasta la fecha, ha encontrado 2,321 planetas candidatos, más de un tercio de los cuales son planetas rocosos más pequeños (los gigantes gaseosos del tamaño de Júpiter o más grandes representan solo el 11 por ciento, y el resto son mundos de naturaleza indeterminada del tamaño de Neptuno), mientras que antes de Kepler usted podría contar el número de exoplanetas rocosos descubiertos por un lado. Los estudios de seguimiento de sus estrellas anfitrionas han revelado desde entonces un descubrimiento sorprendente.

“Descubrimos que la existencia de planetas pequeños no depende tan fuertemente de la metalicidad de su estrella como es el caso de los planetas más grandes”, dice Lars Buchhave, del Instituto Niels Bohr de la Universidad de Copenhague. Buchhave es el autor principal de un nuevo estudio que involucra a un grupo multinacional de astrónomos que investigan los espectros de 150 estrellas que albergan a 226 planetas candidatos encontrados por Kepler. Su investigación se presentó inicialmente en la 220ª reunión de la Sociedad Astronómica Americana en Anchorage, Alaska, este junio, seguida de un artículo en Nature

Límites a la vida

Los sistemas planetarios alrededor de las estrellas que poseen una deficiencia en elementos pesados ​​podrían resultar lugares atractivos para buscar vida porque, sin la presencia de gigantes gaseosos, la vida podría ser más fácil. La mayoría de los gigantes de gas extrasolares que hemos descubierto son los llamados ‘Júpiter calientes’ ubicados muy cerca de sus estrellas y que completan una órbita en solo unos días. Estos planetas no nacieron tan cerca, sino que migraron dentro del sistema desde sus órbitas de nacimiento. Johansen dice que cada vez más astrónomos están llegando a la idea de que dicha migración es forzada por la fuerza gravitacional y la fricción dinámica del gas, o por encuentros cercanos con otros planetas. Estas interacciones con otros componentes del disco protoplanetario eliminaron el momento angular de los planetas, lo que a menudo los hizo girar en espiral hacia sus estrellas. Los planetas más pequeños desafortunados por estar en su camino son expulsados ​​del sistema por el gigante de gas merodeador.

“Si un planeta tipo Júpiter migra y en el proceso dispersa a todos los planetas más pequeños, probablemente uno debería buscar planetas terrestres en otros lugares”, dice Buchhave. La vida pudo haber tenido un viaje más agradable en el universo primitivo cuando, gracias a la menor metalicidad, no había gigantes gaseosos, y el argumento de que los planetas del tamaño de Júpiter son necesarios como escudo contra los impactadores de cometas ya no retiene el agua. La vida puede prescindir de planetas gigantes gaseosos.

Si los planetas del tamaño de la Tierra no requieren estrellas con gran abundancia de elementos pesados, entonces eso tiene enormes implicaciones, expandiendo las posibles moradas para la vida tanto en el espacio como en el tiempo. Considere: las galaxias tienden a evolucionar químicamente de adentro hacia afuera, con la mayor abundancia de elementos pesados ​​más cerca del centro galáctico que en las afueras de los brazos espirales. Bajo el paradigma anterior, las regiones externas de los brazos espirales eran efectivamente las tierras baldías, incapaces de construir planetas o vida. Sin embargo, cuando la metalicidad ya no es un problema tan grande, la zona galáctica habitable, una región donde las condiciones ambientales, incluida la metalicidad y la tasa de supernovas, conspiran para hacer posibles los planetas habitables, de repente se amplía para abarcar franjas mucho más amplias de una galaxia.

Ahora considere que la abundancia de elementos pesados ​​en el universo ha crecido a lo largo de la historia. En el pasado, la metalicidad promedio sería bastante menor. Nuevamente, según el paradigma anterior, se suponía que esto impedía la formación de planetas rocosos al principio del universo, pero ahora sabemos que tales planetas podrían haberse construido en entornos que contenían niveles mucho más pobres de elementos pesados. Esto significa que los planetas que podrían haber soportado la vida pueden haberse formado hace ocho, diez, tal vez incluso doce mil millones de años.

Las encuestas detectan una disminución en el número de estrellas que albergan planetas con una disminución de la metalicidad, pero esta caída es mucho menos profunda para los planetas terrestres que para los gigantes gaseosos. Por supuesto, se requiere la presencia de algunos elementos pesados ​​durante las fases de construcción del planeta, pero el nivel mínimo aún no se ha determinado.

“Espero que haya un límite inferior”, dice Johansen. “Simplemente porque debajo de un umbral de metalicidad no hay suficiente material de construcción para formar planetas de masa terrestre”. Claramente, una abundancia de elementos pesados ​​de una décima parte del Sol o menos tendría dificultades para construir planetas. Sin embargo, cada galaxia evoluciona de manera diferente y no hay forma de decir con certeza cuándo la Vía Láctea cruzó este umbral, aunque es probable que haya sido temprano en la historia del universo, ya que el joven cosmos era particularmente experto en producir múltiples generaciones de estrellas en rápida sucesión. Las tasas de formación estelar de 4.000 masas solares por año se han medido menos de mil millones de años después del Big Bang, en comparación con las diez masas de gas solares que se convierten en estrellas cada año en la Vía Láctea.

“Una estrella masiva típica que explotó y lanzó elementos pesados ​​hace 10 a 12 mil millones de años tenía una metalicidad de aproximadamente una décima parte del Sol”, agrega Johan Fynbo, profesor de Cosmología en el Instituto Niels Bohr. “Pero cada vez que tienes una nueva generación de estrellas, comienzas a enriquecer el gas interestelar con elementos pesados”.

La paradoja de Fermi

Entonces, los planetas rocosos alrededor de más estrellas, a través de grandes extensiones de la Vía Láctea y retrocediendo en el tiempo más profundo de lo que habíamos soñado, agrega más combustible al fuego de la Paradoja de Fermi. Expresado por primera vez por el brillante físico nuclear Enrico Fermi en 1950, la paradoja de Fermi se pregunta por qué, dadas todas las estrellas y planetas que se encuentran allí, junto con la gran edad del universo, ¿todavía no se han encontrado civilizaciones extraterrestres en la Tierra? Donde estan todos

El problema se agrava aún más si se considera que el primer término en la ecuación de Drake, el método de Frank Drake para estimar el número de civilizaciones inteligentes en la galaxia, es la tasa de formación de estrellas, que en promedio fue mucho mayor en el universo de 10 a 13 hace mil millones de años, cuando parece que los planetas podrían comenzar a formarse. En la Vía Láctea, la tasa anual promedio de formación estelar es de diez masas solares; un orden de diez o cien mayor tiene el efecto de aumentar el producto de la ecuación: el número estimado de civilizaciones.

Uno de los contraargumentos favoritos de la paradoja de Fermi fue que la metalicidad del umbral tarda en acumularse, lo que hace que el Sol sea una de las primeras estrellas en el nivel requerido y, por lo tanto, la Tierra sería uno de los primeros planetas con vida. Ahora vemos que los planetas y posiblemente la vida podrían haber surgido en prácticamente cualquier punto de la historia cósmica, socavando este contraargumento y una vez más obligándonos a preguntar, ¿dónde están todos? Si la vida apareciera por primera vez en mundos hace 12 a 13 mil millones de años, entonces las civilizaciones inteligentes (si de hecho sobrevivieron todo este tiempo) ahora estarían miles de millones de años por delante de nosotros y sus preocupaciones ya no incluirían los acontecimientos en una bola de barro húmeda en algún lugar de la galaxia Hinterlands. Tal vez las civilizaciones que tienen miles de millones de años pasan su tiempo desviando energía de los agujeros negros o viviendo dentro de las esferas de Dyson.

Hay, sin embargo, algunos giros en el cuento. En 2010, investigadores del Instituto Max Planck de Astronomía en Heidelberg, Alemania, encontraron un planeta gigante gaseoso alrededor de una estrella tan carente de elementos pesados ​​que debe haberse formado muy temprano en la historia del universo. Para agregar a la intriga, la estrella, conocida como HIP 13044 y ubicada a 2.000 años luz de distancia, es parte de una corriente estelar que es todo lo que queda de una galaxia enana que ha sido canibalizada por la Vía Láctea. Este año, los mismos investigadores encontraron otra estrella de baja metalicidad con dos gigantes gaseosos. En función de su abundancia de hidrógeno y helio, la estrella, conocida como HIP 11952, nació hace 12.800 millones de años, apenas 900 millones de años después del Big Bang. Se desconoce por qué los gigantes gaseosos han podido formarse alrededor de estas estrellas deficientes en metales pesados, quizás insinuando un proceso alternativo para la formación de planetas gaseosos.

Por otro lado, los nuevos resultados sugieren que, en algunas regiones del universo, al menos, los gigantes gaseosos han podido formarse todo el tiempo.

Abundancia Elemental

Para algunas galaxias débiles en el universo distante, cuya luz es demasiado débil para permitir una medición de sus espectros, es posible hacer trampa haciendo uso de luces de fondo naturales como los quásares altamente luminosos para sondear galaxias débiles en primer plano. Al aprovechar este método para estudiar la composición química de una galaxia que existió hace 12 mil millones de años, un equipo de astrónomos, incluido Johan Fynbo, hizo una revelación bastante sorprendente.

“Observamos un quásar de fondo cuya luz atravesaba una galaxia frente a él, donde se absorbía la luz del cuásar”, dice Fynbo. “Esto nos permitió ver las líneas de absorción de oxígeno, azufre, carbono y todos los elementos que se han sintetizado en la galaxia”.

Hace doce mil millones de años, la química de las galaxias debería haber sido bastante primitiva, sin embargo, en esta galaxia en particular, Fynbo y sus colegas, que informaron sobre sus hallazgos en Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, encontraron abundantes elementos pesados ​​equivalentes a la abundancia en el Dom. Tales hallazgos a grandes distancias no son inusuales en sí mismos, pero tienden a ocurrir dentro de los corazones de los quásares, en un área muy pequeña de una galaxia. En este caso, sin embargo, la luz del quásar brillaba a través del disco de la galaxia en primer plano revelando los niveles solares de elementos pesados ​​a 52,000 años luz del centro, justo en las afueras. Incluso hoy en día nuestra propia Vía Láctea no está tan procesada químicamente hasta el borde de sus brazos espirales, entonces, ¿cómo se enriqueció tan rápidamente esta galaxia distante en toda su extensión?

La mejor explicación hasta ahora es que un estallido estelar, un brote ferozmente rápido de formación estelar, dentro de las regiones internas de la galaxia ha llevado a los elementos pesados ​​a las tierras galácticas. Esto se puede hacer simplemente si los vientos huracanan los vientos estelares de radiación que emanan de estrellas calientes y masivas, o que viajan sobre las ondas de choque de las supernovas. Además, la luz del cuásar se enrojeció al intervenir el polvo en la galaxia. El polvo es el bloque de construcción más básico de la formación de planetas, que se une en conglomeraciones y grupos que se acumulan en protoplanetas. El polvo también es producto de la fase de bombardeo violento que soportan los sistemas planetarios jóvenes y se fabrica copiosamente en supernovas.

“Para hacer planetas, claramente necesitas metales y eso parece ser posible en una galaxia muy temprana, que es lo que nos sorprendió”, dice Fynbo. Sin embargo, tales altas metalicidades permiten que también se formen planetas gigantes gaseosos, pero, aunque Lars Buchhave ha mencionado las dificultades que los gigantes gaseosos pueden causar a los planetas habitables, no necesariamente tienen que ser un obstáculo y nuestro Sistema Solar con Júpiter y Saturno es No es la única excepción.

“En el sistema planetario Kepler-20 hay cinco planetas”, dice, “tres son planetas del tamaño de Saturno y dos son del tamaño terrestre, con el orden grande-pequeño-grande-pequeño-grande. Si la masa de Saturno los planetas migraron, ¿cómo pueden estar los planetas pequeños entre los más grandes?

En cualquier caso, una cosa se está aclarando: que las materias primas suficientes para construir planetas terrestres estuvieron disponibles muy pronto después del Big Bang, lo que aumenta la posibilidad de que pueda haber vida en el universo mucho más antigua que nosotros. Tal vez residen alrededor de estrellas enanas rojas de larga vida, o se han mudado de su sistema local después de que su estrella expiró. O, tal vez, realmente somos los primeros, lo que significa que si la vida ha sucedido solo una vez a lo largo de toda la historia del universo, nuestra existencia debe ser una casualidad y nuestro planeta muy, muy especial.

– Ver más en: ¿Cuándo tuvo el universo las cosas adecuadas para los planetas? El | Elementos pesados