Posible destrucción atmosférica de un exoplaneta potencialmente habitable

21 de febrero de 2024

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por David Appell, Phys.org

Los astrofísicos que estudian un exoplaneta popular en la zona habitable de su estrella han descubierto que las corrientes eléctricas en la atmósfera superior del planeta podrían crear suficiente calentamiento para expandir la atmósfera lo suficiente como para que se escape del planeta, dejándolo probablemente inhabitado.

Hasta ahora, los científicos planetarios han pensado que un planeta habitable necesita un fuerte campo magnético que lo rodee para actuar como un escudo, direccionando partículas ionizadas, rayos X y radiación ultravioleta en el viento estelar alrededor y lejos de su atmósfera.

Eso es lo que sucede en la Tierra, evitando que la radiación peligrosa llegue a la vida en la superficie, y lo que no ocurre en Marte, que ahora carece de un campo magnético global, lo que significa que cualquier habitante inicial del planeta rojo probablemente necesitará vivir en cuevas y cavidades subterráneas para protección del viento solar.

La nueva investigación, realizada por Ofer Cohen del Centro Lowell para Ciencia y Tecnología Espacial de la Universidad de Massachusetts Lowell y colegas, publicada en The Astrophysical Journal, examinó si las corrientes eléctricas generadas en la ionosfera del exoplaneta Trappist-1e llevarían a un calentamiento y expansión suficientes de la atmósfera que podría disiparse lejos de la gravedad del planeta y perderse en el espacio.

TRAPPIST-1e es una estrella enana M fría en la constelación de Acuario, a unos 41 años luz de la Tierra. Su sistema planetario, que tiene siete exoplanetas observados, es el sistema más estudiado fuera de nuestro propio sistema solar.

Tres de estos planetas están en la zona habitable de la estrella, con temperaturas superficiales donde podría existir agua líquida. Debido a que las enanas M, que comprenden alrededor del 70% de las estrellas en el universo, son más frías que nuestro sol, estas zonas están mucho más cerca de estas estrellas.

Trappist-1e, un exoplaneta descubierto en 2017, orbita a solo 0.028 UA de su estrella (donde 1 UA es la distancia promedio del sol a la Tierra; Mercurio orbita a aproximadamente 0.4 UA). Roca y similar a la Tierra, su densidad promedio es solo un 2% más grande que la de la Tierra, y su gravedad superficial es del 82%. Además, tiene una temperatura de equilibrio de 246 Kelvin, solo 9 K por debajo de la Tierra.

Estas propiedades hacen de Trappist-1e uno de los exoplanetas más interesantes descubiertos hasta la fecha. Pero, ¿tiene atmósfera? Debido a que se encuentra mucho más cerca de su estrella, el despojamiento atmosférico por los vientos estelares debería ser mucho más fuerte que, por ejemplo, en Mercurio, que no tiene atmósfera.

Trabajos anteriores mostraron que los vientos estelares de Trappist-1 podrían potencialmente despojar a sus exoplanetas de una atmósfera rica en hidrógeno por fotoevaporación, pero la complejidad del modelado significa que estos planetas podrían tener una serie de entornos atmosféricos.

Pero otro mecanismo potencial de despojo es cuando los vientos estelares cargados externos impactan en la atmósfera superior ionizada. En trabajos anteriores, Cohen y otros encontraron que cuando la conductividad y la impedancia de cada uno son similares en magnitud, los tres exoplanetas Trappist e, f y g podrían experimentar un calentamiento resistivo de corriente continua (CC) de hasta 1 vatio por metro cuadrado, un 1% de la irradiancia solar entrante y 5 a 15 veces la energía estelar de la radiación de extrema ultravioleta. Este "calentamiento de Joule" podría potencialmente eliminar la atmósfera de cualquiera de estos planetas. (En la Tierra, el calentamiento de Joule es de aproximadamente 0.01 W/m2)

Ahora, Cohen y colegas han modelado un segundo fenómeno que también podría impactar las atmósferas planetarias de Trappist-1: el calentamiento debido al movimiento mismo del planeta. Se generarán corrientes eléctricas alternas (CA) en la atmósfera superior del planeta a medida que este encuentre un campo magnético estelar cambiante mientras orbita su estrella (ley de inducción de Faraday).

Los planetas cercanos orbitan muy rápidamente—el período orbital de Trappist-1e es de solo 6.1 días terrestres—y el rápido cambio en el campo magnético de fondo conduce a la generación de fuertes corrientes ionosféricas que se disipan y crean un calentamiento potencialmente muy alto, lo que ellos llaman calentamiento de Joule impulsado por voltaje.

Because astronomers do not have measurements of Trappist-1's stellar wind and magnetic field, the group used validated physics-based models to calculate its energy output, its solar wind and the changing magnetic field at the Trappist-1e distance. Using reasonable estimates for the width of Trappist 1e's ionosphere, its conductance and the magnitude of the changing magnetic field, their results show that the Joule heating energy flux in the upper atmosphere of the planet would vary from 0.01 to 100 W/m2, a significant amount of heating that may be greater than that due to extreme-ultraviolet and 1 to 10% of the stellar energy flux at the planet.

They conclude that such intense values could cause a strong atmospheric escape and 'could lead to a rapid loss of the atmosphere.' It means astrobiologists and others should take Joule heating into account when considering an exoplanet's habitability.

'It is likely that both mechanisms operate together in close-in exoplanets,' said Cohen. 'Therefore, our work (and our solar system knowledge) may suggest that exoplanets located very close to the star are likely bare planets with no atmosphere.'

Cohen notes that their work has a political element, as many teams are investigating the atmospheres of Trappist-1 planets. The James Webb Space Telescope (JWST) has already started to observe this system's planetary atmospheres (finding none), and there are plans to do more. 'This may be a bit of a waste of resources if there is no atmosphere to study,' said Cohen.

Journal information: Astrophysical Journal

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