Zonas Habitables del Universo

¡Ubicación! ¡Ubicación! ¡Ubicación! El secreto para producir grandes películas de Hollywood, y para vender bienes raíces, es también el secreto de la vida para poblar el Universo. Gran parte del universo es claramente hostil a la vida, y solo los lugares raros ofrecen incluso oasis potenciales para su existencia. El espacio vacío, los interiores de las estrellas, las nubes de gas gélido, la «superficie» de los planetas gaseosos como Júpiter, todos deben estar sin vida. No podemos saber con certeza cuáles son los límites para los entornos de la vida, pero observar lo que se necesita para respaldar la vida en la Tierra proporciona una base para estimar dónde podría existir la vida en el Universo. Especulamos de esta manera con el entendimiento de que tenemos una perspectiva sesgada: la de los habitantes de un planeta que parece proporcionar un hábitat casi perfecto.

Uno de los atributos de soporte vital más básicos de la Tierra es, de hecho, su ubicación, su distancia aparentemente ideal al sol. En cualquier sistema planetario hay regiones, distancias desde la estrella central, donde podría ocurrir un entorno de superficie similar al estado actual de la Tierra. La región o distancia favorable de la estrella es la base para definir la «zona habitable» (Conocida por los astrobiólogos como HZ, por sus siglas en inglés), la región en un sistema planetario donde podrían existir clones de la Tierra habitables. Desde su introducción, el concepto de zona habitable ha sido ampliamente adoptado y ha sido objeto de varias conferencias científicas importantes, incluida una celebrada por Carl Sagan cerca del final de su brillante carrera.

El aspecto definitorio de la HZ es que es la región donde el calentamiento de la estrella central proporciona una temperatura de superficie planetaria en la que un océano de agua no se congela ni supera su punto de ebullición. El ancho real de la HZ depende de cómo los terrícolas decidamos que un planeta debe ser considerado como habitable. Los eventos extremos, como la pérdida de océanos o una congelación planetaria profunda, pueden parecer totalmente absurdos para los terrícolas que viven felizmente en condiciones climáticas casi ideales, pero estos eventos seguramente ocurrirían si la Tierra estuviera (Por un lado) un poco más cerca o (Por el otro lado) un poco más alejado del sol. Ocupar la HZ, o la «zona de confort» planetaria, es análogo a sentarse junto a una fogata en una noche fría. Imagínese tratando de sobrevivir una noche en el Yukón cuando la temperatura es de -70°C. Usted tiene una gran fogata, pero si duermes demasiado cerca de él, te prendes fuego y, si estás demasiado atrás, te congelas.

Los astrónomos celebraron las primeras discusiones sobre la zona habitable en los años sesenta. El rango de la zona habitable se consideró limitado por dos efectos: Baja temperatura en el borde exterior y alta temperatura en el borde interior. Nuestros vecinos más cercanos en el espacio brindan ejemplos serios de lo que les sucede a los planetas cercanos, pero no dentro de la HZ. Más cerca del Sol que la HZ, un planeta se calienta demasiado. Venus es un ejemplo (Si, sabemos que no es solo por la cercanía al Sol, solo lo estoy utilizando como un pequeño ejemplo). La superficie de este vecino es lo suficientemente caliente como para brillar. Si Venus alguna vez tuvo un océano, hace mucho que se evaporó y se perdió totalmente en el espacio.

Fuera de la HZ, las temperaturas son demasiado bajas. Marte, por ejemplo, está congelado a profundidades de muchos kilómetros por debajo de su superficie. Si la Tierra se moviera hacia el exterior (O si el Sol redujera su producción de energía), la atmósfera de la Tierra se enfriaría hasta el punto en que el planeta quedaría cubierto de hielo. Finalmente, el dióxido de carbono se congelaría para formar nubes reflectantes de partículas de «hielo seco» y, en última instancia, el CO₂ se congelaría en los casquetes polares.

En 1978, el astrofísico Michael Hart realizó cálculos detallados y llegó a una conclusión sorprendente. Su trabajo incluyó el hecho bien conocido de que el Sol se vuelve ligeramente más brillante con el tiempo. Hace unos 4 mil millones de años, el sol era un 30% más débil que en la actualidad. A medida que el sol se ilumina, la HZ se desplaza hacia afuera. Hart llamó a la pequeña región en la que la Tierra permanecería dentro de la HZ durante toda la edad del sistema solar, la zona habitable de forma continua, o CHZ (Por sus siglas en inglés). Sus cálculos indicaron que, en algún momento de su historia, la Tierra habría experimentado una glaciación descontrolada si se hubiera formado un 1% más lejos del Sol y hubiera experimentado un calentamiento incontrolado del invernadero si se hubiera formado un 5% más cerca del Sol. Ambos efectos fueron considerados irreversibles. Una vez congelado o frito, no puede haber vuelta atrás. Ahora se considera posible que un planeta congelado pueda convertirse en habitable con el brillo continuo de su estrella central. Si la forma de la órbita de la Tierra hubiera sido más elíptica, estos límites habrían sido incluso más pequeños. El trabajo de Hart implicaba que el CHZ era sorprendentemente delgado para el Sol y que para las estrellas de menor masa ni siquiera existía. Esto sugería que los planetas similares a la Tierra con océanos y vida eran muy raros.

Se cree que el CHZ de Hart es demasiado estrecho debido a varios efectos que no tuvo en cuenta. Uno de ellos es el descubrimiento de un proceso químico notable conocido como el ciclo de silicato de CO₂ que, en la Tierra, actúa como un termostato de regulación para mantener la temperatura planetaria dentro de los límites «saludables». Este ciclo puede mantener temperaturas de superficie habitables en un rango moderado de efectos de calentamiento solar. El CO₂ es un gas traza que constituye solo 350 partes por millón de la atmósfera, pero es un gas «de efecto invernadero»: sus propiedades de absorción de infrarrojos retardan la salida del calor al espacio. Este efecto invernadero calienta la superficie de la Tierra a unos 40°C por encima de la temperatura que tendría de otra manera. Como veremos más adelante en el blog, el control termostático del ciclo de silicato de CO₂ (Que también se conoce como el ciclo de roca de CO₂) se produce debido a los efectos de la intemperie. Si el planeta se calienta, el aumento de la intemperie elimina el CO₂ de la atmósfera y la pérdida de CO₂ conduce al enfriamiento. Cuando la Tierra está demasiado fría, la intemperie y la eliminación de CO₂ disminuyen, mientras que la continua acumulación atmosférica de CO₂ volcánico conduce al calentamiento. Este extraordinario sistema de retroalimentación negativa amplía la zona habitable de manera continua y también complica los esfuerzos para determinar sus límites con precisión, porque el ciclo de roca de CO₂ no se entiende perfectamente a escala planetaria. Usando esta nueva información, el astrobiólogo James Kasting y sus colegas definieron la HZ como «la región alrededor de una estrella en la que un planeta similar a la Tierra (De masa comparable) y que tiene una atmósfera que contiene nitrógeno, agua y dióxido de carbono es climáticamente adecuado para la superficie, y para vida dependiente del agua”. Estimaron en 1993 que el ancho de la CHZ es de 0.95 a 1.15 UA (1 UA = Unidad Astronómica representa la distancia de la Tierra al Sol, 149.6 millones de kilómetros). Esto es mucho más amplio que el estimado de Hart, pero todavía es bastante estrecho.

La idea de una zona habitable es un concepto muy importante de la astrobiología, pero estar dentro de una HZ no es un requisito esencial para la vida. La vida puede existir fuera de las zonas habitables de las estrellas. Los astronautas en una nave espacial «idealmente» suministrada, motorizada y diseñada podrían sobrevivir casi en cualquier parte del sistema solar y (En realidad) casi en cualquier lugar de las vastas y vacías regiones de todo el Universo. Además, el descubrimiento de extremófilos requiere que el concepto de HZ se vea desde una perspectiva muy diferente a la de hace unos años. La HZ como se define normalmente es realmente la HZ animal. Los organismos extremofílicos que viven bajo tierra y que requieren solo cantidades mínimas de energía química y agua pueden prosperar fuera de la HZ en una amplia variedad de entornos, incluidas las regiones subsuperficiales de planetas, lunas e incluso asteroides. Un buen ejemplo es Europa, la luna de Júpiter que probablemente tiene un océano subterráneo. Europa puede proporcionar un hábitat excelente para los microorganismos, aunque se encuentre fuera de la HZ como se define convencionalmente.

Creemos que el concepto de zonas habitables debe ampliarse para incluir otras categorías. Para planetas como la Tierra, la zona habitable de los animales (AHZ por sus siglas en inglés) es el rango de distancias desde la estrella central donde es posible que un planeta similar a la Tierra retenga un océano de agua líquida y mantenga temperaturas globales promedio de menos de 50°C. Esta temperatura parece ser el límite superior por encima del cual la vida animal no puede existir (Al menos la vida animal en la Tierra). Debido a que el agua puede existir en una superficie planetaria a temperaturas hasta el punto de ebullición, un planeta con agua líquida en su superficie (El criterio original de la zona habitable) puede ser demasiado caliente para permitir la vida animal. La AHZ es, por lo tanto, una región mucho más restringida alrededor de una estrella que la HZ utilizada por Hart, Kasting y otros astrobiólogos. Un tipo de HZ aún más estrecho surgiría si quisiéramos considerar una zona donde los humanos modernos pudieran vivir, por ejemplo, un planeta donde se pueda cultivar suficiente trigo o arroz para alimentar a varios miles de millones de personas. Un HZ mucho más amplio y más fácilmente determinable es la zona microbiana habitable (MHZ por sus siglas en inglés), la región alrededor de una estrella donde puede existir vida microbiana. Es casi todo el sistema solar, y se extiende temporalmente desde poco después de la formación de los planetas hasta nuestros días. Las HZ para otras categorías principales de vida también podrían definirse: la HZ para las plantas superiores sería más amplia que la de los animales, pero más estrecha que la HZ para los microorganismos.

Aunque la zona habitable se describe en términos de distancia de una estrella central, también debe pensarse en términos de tiempo. En el sistema solar, los HZ tienen anchos definibles; y a medida que el Sol se vuelve más brillante constantemente, se extienden hacia el exterior. La Tierra eventualmente se quedará atrás ya que el efecto invernadero hace que se parezca más a Venus. Esto sucederá entre 1 y 3 mil millones de años a partir de ahora, y la Tierra habrá tenido entre 5 y 8 mil millones de años en la HZ. Para las estrellas más masivas, la evolución es mucho más rápida. Para estas estrellas, la HZ está más alejado y tiene una duración mucho más corta. Las vidas de las estrellas 50% más masivas que el Sol serían demasiado cortas para el ritmo pausado con el que la vida animal evolucionó en la Tierra.

La evolución biológica requiere vastos períodos de tiempo para llegar a organismos complejos, períodos del orden de cientos de millones a miles de millones de años. La AHZ y la MHZ son, por lo tanto, dominios espaciales y temporales. Nuestra AHZ recién definida es obviamente la más altamente restrictiva, pero paradójicamente, también permite la mayor diversidad de la vida. La Tierra está en esta zona, mientras que Venus (Con su temperatura de superficie infernal) y Marte (Con su superficie congelada y su atmósfera delgada) han estado fuera de ella durante miles de millones de años. En relación con la órbita de la Tierra, Venus está un 30% más cerca del Sol y Marte un 50% más distante. En cuanto a la intensidad de la luz solar, la iluminación solar es el doble en Venus y solo la mitad en Marte.

Planetas Expulsados de las Zonas Habitables

A medida que aprendemos más sobre las interacciones de varios sistemas estelares, se está volviendo cada vez más claro que los planetas a veces se desprenden del alcance de sus estrellas centrales y se lanzan a la oscuridad del espacio. Las fuentes más comunes de este tipo de eyección planetaria son las interacciones entre planetas gigantes. Aunque las órbitas de los planetas en nuestro sistema solar no han cambiado apreciablemente durante miles de millones de años, interactúan entre sí, y las formas de sus órbitas varían. Los sistemas planetarios en general no son necesariamente estables gravitacionalmente en escalas de tiempo de miles de millones de años. Si Saturno estuviera más cerca de Júpiter o si fuera más masivo, el juego a largo plazo del gato y el ratón gravitacionales que juegan los planetas podría conducir a la expulsión de uno de estos planetas, y se escaparía a la galaxia. Si se perdiera Saturno, entonces Júpiter quedaría atrapado en la órbita solar, pero su órbita sería extrañamente elíptica. Algunos de los planetas gigantes recientemente descubiertos orbitando otras estrellas tienen órbitas altamente elípticas, y la expulsión pasada de un compañero perdido hace mucho tiempo puede haber sido la causa. Los planetas también pueden ser expulsados de sistemas estelares binarios donde dos estrellas (Y sus planetas) orbitan entre sí.

Aunque a primera vista parece que la expulsión de una estrella central sería una sentencia de muerte para cualquier vida en un planeta expulsado, tal vez no sea el caso. Una vez más, los microorganismos extremófilos podrían sobrevivir en el frío del espacio. Un mundo así expulsado no tendría estrella, ni movimiento orbital, ni «luz solar», y su superficie podría acercarse a la temperatura fría del helio líquido.

Cualquier planeta expulsado de un sistema planetario se encontraría en una situación muy extraña sin vecinos y sin una fuente externa de calor para calentar su superficie. Lo único que se puede ver desde la superficie del planeta sería el barrido continuo de las estrellas a través de un cielo nocturno eternamente oscuro. Esta visión continuaría monótonamente durante miles de millones de años. La superficie de cualquier planeta solitario se enfriaría a temperatura criogénica. En el interior del planeta, sin embargo, el calor aún se generaría a partir de un interior radioactivo. En ese caso, una biosfera del subsuelo profundo podría sobrevivir.

Aunque los planetas expulsados pueden no ser hospitalarios para la vida, la perspectiva es mucho más favorable para las lunas grandes que orbitan los planetas expulsados. Si de alguna manera un Júpiter con sus cuatro lunas grandes pudiera ser expulsado al espacio interestelar, podría proporcionar un hábitat muy interesante no solo para la continuación de la vida microbiana sino también para su posible evolución. Considere la posibilidad de que la vida evolucione en un gran satélite como Europa en órbita alrededor de Júpiter. Europa está cinco veces más alejada del sol que la Tierra, por lo que solo recibe 1⁄25 de calor solar, lo que da como resultado una temperatura en la superficie cercana a 150°K. Este es un mundo frígido y congelado que no podría tener vida. en su superficie. Sin embargo, a pesar de su ubicación remota, Europa es ampliamente considerada como uno de los entornos más interesantes para la vida en el sistema solar, ya que probablemente tenga un océano de agua líquida caliente debajo del hielo. Aunque Europa está lejos del Sol, la flexión de su interior por los efectos de las mareas gravitacionales de Júpiter y sus otras lunas grandes genera un calor apreciable. Europa tiene un océano significativo debajo de una corteza de hielo congelado, y este entorno particular, si ya está dotado de vida, podría mantenerse en el frío del espacio interestelar. ¿Cuánto tiempo? Esa es otra cuestión interesante.

Zonas Habitables en otros Sistemas Estelares

El concepto de zonas habitables es quizás el más interesante cuando se aplica a otras estrellas además del Sol. El brillo de la estrella determina la ubicación de su zona habitable, pero el brillo a su vez depende del tamaño, tipo y edad de la estrella.

Para las estrellas más masivas que nuestro Sol, la migración de sus HZ a través del tiempo es mucho más rápida y de menor duración. Las estrellas más masivas tienen vidas más cortas. El Sol debería ser bastante estable durante casi 10 mil millones de años después de su nacimiento, pero una estrella 50% más masiva que el Sol entra en su etapa de gigante roja después de solo 2 mil millones de años. Cuando una estrella se convierte en una gigante roja, su brillo aumenta en un factor de mil, y la HZ se retira mucho más allá de sus límites originales. Ya hemos notado que una estrella de 1.5 masas solares no estaría alrededor el tiempo suficiente para que los animales evolucionen al ritmo pausado que disfruta la vida terrestre. Las estrellas más masivas tienen zonas habitables más alejadas de la estrella, o pueden no tener zonas habitables en absoluto. Las estrellas más masivas son más calientes e irradian sustancialmente más luz ultravioleta que el sol. La luz ultravioleta (UV) rompe los enlaces de la mayoría de las moléculas biológicas, y la vida debe protegerse de ella para sobrevivir. Los rayos UV también pueden ser desastrosos para las atmósferas de planetas similares a la Tierra. Se absorbe fuertemente en la parte superior de tales atmósferas y es una potente fuente de calor a gran altitud que puede conducir a escapar de la atmósfera. El sol, con su temperatura de superficie efectiva de 5780°K, emite menos del 10% de su energía en el rango ultravioleta, mientras que las estrellas más calientes como Sirius irradian la mayor parte de su energía a los rayos UV. La pérdida atmosférica puede evitar que los planetas terrestres con océanos y atmósferas se formen alrededor de estrellas más masivas. Este problema atmosférico con planetas que orbitan estrellas más masivas se suma a las limitaciones impuestas por sus vidas estelares más cortas.

A menudo se dice que el Sol es una estrella típica, pero esto es totalmente falso. El mero hecho de que el 95% de todas las estrellas son menos masivas que el sol hace que nuestro sistema planetario sea bastante raro. Las estrellas menos masivas son importantes porque son mucho más comunes que las más masivas. Para las estrellas menos masivas que el Sol, las zonas habitables se ubican más hacia el interior.

Las estrellas más comunes en nuestra galaxia se clasifican como estrellas M; Tienen solo el 10% de la masa del Sol. Tales estrellas son mucho menos luminosas que nuestro Sol, y cualquier planeta que las orbite tendría que estar muy cerca para mantenerse lo suficientemente caliente como para permitir la existencia de agua líquida en la superficie. Sin embargo, existe el peligro de orbitar demasiado cerca de cualquier cuerpo celeste. A medida que los planetas se acercan a una estrella (O satélites a un planeta), los efectos de las mareas gravitacionales de la estrella inducen una rotación sincrónica, en la que el planeta gira sobre su eje solo una vez cada vez que orbita la estrella. Así el mismo lado del planeta siempre se enfrenta a la estrella (Este bloqueo de mareas mantiene un lado de la Luna frente a la Tierra en todo momento). Esta rotación sincrónica provoca un frío extremo en el lado oscuro de un planeta y congela la atmósfera. Es posible que con una atmósfera muy densa y con poca variación día/noche, un planeta pueda escapar de este destino, pero a menos que sus atmósferas sean extremadamente ricas en CO₂, los planetas cercanos a las estrellas de poca masa no serán habitables debido a la congelación atmosférica-exterior.

Por lo tanto, podemos observar varias estrellas en nuestra galaxia Vía Láctea y preguntar si son lugares apropiados para la vida o, de hecho, tienen zonas habitables. Por ejemplo, ¿Podría haber planetas habitables orbitando estrellas binarias o sistemas estelares múltiples, lugares donde dos o más estrellas están encerradas en una danza orbital compleja? ¿Se pueden encontrar planetas con órbitas estables y regímenes de temperatura relativamente constantes en tales entornos? ¿Se pueden formar planetas en tales entornos? Estas preguntas son muy importantes para comprender la frecuencia de la vida más allá de la Tierra, porque aproximadamente dos tercios de las estrellas de tipo solar en el vecindario solar son miembros de sistemas binarios o de estrellas múltiples. El astrobiólogo Alan Hale, quien ha escrito sobre los problemas de habitabilidad en sistemas binarios o de estrellas múltiples, señala: «Los efectos de los compañeros estelares cercanos en la habitabilidad de los ambientes planetarios deben considerarse al estimar el número de planetas con potencial de vida dentro de la Galaxia.”.

Se pueden considerar dos escenarios: El caso en el que los componentes estelares (Las estrellas del sistema binario o de estrellas múltiples) están muy próximos entre sí, y los planetas orbitan a ambas o todas las estrellas, y el caso en el que los compañeros estelares están muy separados, y los planetas orbitan una sola estrella. ¿Pero pueden incluso formarse planetas en tales sistemas estelares? Algunos trabajos recientes sugieren que es posible que los planetas no puedan formarse allí a menos que las estrellas tengan al menos 50 veces la distancia de la Tierra al sol o 50 UA, aunque esto no se ha demostrado. Alan Hale sugiere que las órbitas estables se lograrán en múltiples sistemas estelares solo donde las estrellas compañeras estén separadas por menos de 30 millones de kilómetros o más alejadas por 1.5 mil millones de kilómetros. Y, por supuesto, si los planetas se forman en tales sistemas, dos o más cuerpos afectarán sus órbitas.

La pregunta más urgente es si los planetas, una vez formados en un sistema estelar múltiple, pueden lograr órbitas estables. El auge de la vida (Al menos en la Tierra) parece requerir largos períodos de condiciones constantes, que requieren órbitas estables. Las órbitas altamente elípticas en las que un planeta se mueve dentro y fuera de la CHZ podrían permitir que la vida microbiana se forme e incluso florezca, pero probablemente sería letal para la vida animal. En tales sistemas, los planetas podrían formarse, pero sus órbitas se verían perturbadas por las diversas fuerzas gravitacionales de más de una estrella, que eventualmente expulsarían los planetas o harían que cayeran en una de las estrellas.

Un segundo problema con los sistemas estelares múltiples como hábitats para la vida es la insolación (La energía estelar que recibe un planeta). S.H. Dole, en su innovador libro Habitable Planets for Man, de 1970, estimó que la cantidad promedio de energía recibida por un planeta podría variar hasta en un 10% sin afectar su habitabilidad. (Esto también es discutible: nuestro Sol experimenta una variación en la producción mucho menor que el 10%, sin embargo, incluso estas pequeñas fluctuaciones producen cambios importantes en el clima que afectan drásticamente la evolución de las formas de vida.) Donde los planetas orbitan en el mismo plano que las estrellas compañeras, La insolación también se verá afectada por los eclipses de una estrella por otra.

Finalmente, los residentes de cualquier planeta en un sistema estelar múltiple tendrán que lidiar con la evolución estelar de dos o más soles. Nuestro Sol se hace más brillante con el tiempo. Este brillo gradual hace que las zonas habitables emigren siempre hacia el exterior. Con dos o más soles en el mismo proceso, podemos esperar que las zonas habitables emigren aún más rápido a través del tiempo. Aunque esto podría no afectar negativamente a la vida microbiana, podría inhibir la vida animal. En general, parece que los sistemas estelares múltiples pueden ser regiones que podrían sustentar la vida, pero quizás no la vida animal. Ciertamente son hábitats menos favorables para la vida animal que las estrellas solitarias.

Otros tipos de estrellas podrían ser incluso menos adecuados. Las estrellas variables (Aquellas que muestran una insolación rápidamente cambiante) son, sin duda, malas candidatas para producir planetas habitables para los animales (Aunque aquí nuevamente, la vida microbiana podría ganar y mantener un punto de apoyo, asumiendo que se forman planetas). Las entidades estelares inusuales, como las estrellas de neutrones y las estrellas enanas blancas, probablemente sean inhabitables por cualquier forma de vida.

¿Qué pasa con las regiones donde la frecuencia de estrellas (El número de estrellas en un volumen de espacio) es muy alta? Tales regiones incluyen cúmulos de estrellas abiertas y cúmulos de estrellas globulares. Es poco probable que los grupos abiertos sean hospitalarios para la vida animal porque son demasiado jóvenes. La mayoría está compuesta por estrellas relativamente nuevas, donde la vida (Al menos la vida avanzada, como las plantas y animales superiores) aún no habría tenido la oportunidad de desarrollarse. Muchos grupos abiertos se dispersan cuando han orbitado su galaxia varias veces. Otros son más duraderos, pero también tienen problemas. Debido a que las estrellas vecinas están tan cerca, las órbitas planetarias pueden perturbarse, haciendo que los planetas sean expulsados, entren en órbitas altamente elípticas, o incluso caigan en sus soles.

En los cúmulos globulares, la densidad de las estrellas es extremadamente alta: algunos cúmulos globulares pueden tener hasta 100,000 estrellas agrupadas en un espacio de unas decenas a cientos de años luz de diámetro. La estrella más cercana a nosotros (Después del Sol, claro), Proxima Centauri, está a 4.2 años luz de distancia. Hay un total de 23 estrellas conocidas dentro de los 13 años luz del Sol. En un cúmulo globular, la misma distancia puede contener 1000 estrellas o más. Por ejemplo, el cúmulo globular M15 tiene 30,000 estrellas agrupadas en un espacio de solo 28 años luz de diámetro. No habría noche en ningún planeta en tales grupos. Puede que haya sistemas estelares habitables en tales regiones, pero la misma cantidad de estrellas las haría más peligrosas y menos agradables para el mantenimiento de la vida animal que las estrellas más separadas; hay demasiada radiación y partículas, demasiadas posibilidades de que los cambios gravitacionales afecten las órbitas de los planetas en cualquier masa de este tipo. Estar en una alta concentración de estrellas aumenta el riesgo de que una estrella cercana se vaya a hacer una nova (Explosión) o de emitir una fuerte radiación al espacio cercano. Una segunda gran desventaja de los cúmulos globulares es que están compuestas de estrellas antiguas (Y, por lo tanto, de elementos más pesados), casi de la misma edad. La baja abundancia de «elementos pesados» como el carbono, el silicio y el hierro hace que sea poco probable que se formen planetas terrestres de tamaño terrestre. Estos elementos pesados son necesarios no solo para proporcionar hábitats para la vida, sino también para construir la vida tal como la conocemos.

Incluso si algunas de las estrellas lograran tener planetas similares a la Tierra, las estrellas serían tan antiguas que las estrellas de 1 masa solar habrían evolucionado hasta el punto en que sus HZ se habían retirado más allá de los planetas internos. Los cúmulos globulares pueden estar desprovistos de toda vida. Esta conclusión ilustra el progreso real en nuestra comprensión de los límites de la vida en el cosmos. En 1974, un grupo de astrónomos liderados por Frank Drake dirigió una señal de radio hacia el cúmulo globular M13. Se esperaba que otros radioastrónomos que vivían alrededor de una de las 300,000 estrellas del grupo pudieran recibir el mensaje. Hoy, solo unas pocas décadas después, nos damos cuenta de que no hay posibilidad de que alguien esté allí para atender la llamada cuando llegue el mensaje de radio a la M13, de aquí a unos 24,000 años. Si se repitiera el experimento, el rayo se dirigiría hacia las estrellas con mayor probabilidad de tener planetas y vida.

Sobre otras regiones estelares solo podemos especular. Las estrellas continúan formándose: ¿Hay algún aspecto de su formación que sea beneficioso (O perjudicial) para la habitabilidad? ¿Un planeta en una región con estrellas recién formadas sería capaz de sostener la vida? ¿Qué pasa con los sistemas estelares en el medio de las nebulosas? ¿Son estas regiones neutrales para la vida, o la presencia de grandes cantidades de gas interestelar tiene algún efecto sobre la presencia o existencia de la vida? Nuestro Sol probablemente se formó en un cúmulo de estrellas de baja densidad que se dispersó poco después y, por lo tanto, evitó la interrupción de las órbitas de Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno.

Zonas Habitables en la Galaxia

El concepto de regiones habitables también se puede aplicar a nuestra galaxia Vía Láctea. Algunos astrobiólogos sospechan que hay regiones geográficas que pueden trazarse desde el centro de nuestra galaxia y que son regiones habitables de manera análoga a las zonas habitables alrededor de las estrellas. Nuestra galaxia es una galaxia espiral (Los otros tipos son galaxias elípticas e irregulares, aunque la anterior afirmación se ha estado poniendo en duda en publicaciones recientes, en este 2019). En la mayoría de las galaxias, la concentración de estrellas es más alta en el centro y disminuye alejándose del centro. Las galaxias espirales tienen forma de plato (Redondas, pero planas si se ven desde un lado), con brazos que se ramifican cuando se ven desde arriba. Pero vistos desde el lado son bastante planos. Nuestra galaxia tiene un diámetro estimado de unos 85.000 años luz. Nuestro Sol está a unos 25,000 años luz del centro, en una región entre los brazos en espiral donde la densidad de las estrellas es bastante baja en comparación con el interior más lleno de gente. En esta posición orbitamos lentamente el eje central de la galaxia.

Como un planeta que gira alrededor de una estrella, mantenemos aproximadamente la misma distancia del centro galáctico, y esto es afortunado. Nuestra estrella (Por casualidad) se encuentra en la «zona habitable» de la galaxia. Sospechamos que los márgenes internos de esta zona galáctica habitable (GHZ por sus siglas en inglés) están definidos por la alta densidad de estrellas, las supernovas peligrosas y las fuentes de energía que se encuentran en la región central de nuestra galaxia, mientras que las regiones externas de habitabilidad están dictadas por algo bastante diferente: No es el flujo de energía, sino el tipo de materia a encontrar.

Actualmente, no podemos hacer más que designar crudamente los límites de esta región habitable. Su límite interno seguramente se define por las catástrofes celestiales que ocurren más cerca del centro, pero aún no podemos estimar qué tan cerca del centro de la galaxia está ese límite. Tal vez se extienda 10.000 años luz desde el centro, quizás más. Sin embargo, tenemos al menos una vaga idea de las fuerzas que imponen este límite interior. La vida es un fenómeno muy complejo y delicado que se destruye fácilmente con demasiado calor o frío y demasiados rayos gamma, rayos X u otros tipos de radiación ionizante. El centro de cualquier galaxia produce todos estos.

Entre los miembros estelares letales de cualquier galaxia se encuentran las estrellas de neutrones llamadas magnetares. Estas estrellas colapsadas son pequeñas, pero sorprendentemente densas, y emiten rayos X, rayos gamma y otras partículas cargadas al espacio. Debido a que la energía se disipa como el cuadrado de la distancia, estos objetos no son una amenaza para nuestro planeta. Sin embargo, más cerca del centro de la galaxia, su frecuencia aumenta. Cualquier centro galáctico es una masa de estrellas, algunas de ellas son las estrellas de neutrones letales, y parece muy poco probable que exista alguna forma de vida tal como la conocemos.

Una amenaza aún mayor proviene de las estrellas en explosión conocidas como supernovas. A medida que las estrellas envejecen, queman su hidrógeno y eventualmente colapsan sobre sí mismas. Algunos de ellos explotan hacia fuera con una fuerza tremenda. Cualquier estrella que vaya a una supernova probablemente esterilizará la vida dentro de un radio de 1 año luz de la explosión y afectará la vida en los planetas hasta 30 años luz de distancia. La misma cantidad de estrellas en los centros galácticos aumenta las posibilidades de una supernova cercana. Nuestro Sol y nuestro planeta están protegidos simplemente por la escasez de estrellas que nos rodean.

La región exterior de la zona habitable galáctica está definida por la composición elemental de la galaxia. En los extremos más externos de la galaxia, la concentración de elementos pesados es menor porque la velocidad de formación de estrellas (Y, por lo tanto, de formación de elementos) es menor. Hacia afuera, desde los centros de las galaxias, la abundancia relativa de elementos más pesados que el helio disminuye. La abundancia de elementos pesados es probablemente demasiado baja para formar planetas terrestres tan grandes como la Tierra. Como veremos en una próxima entrada, nuestro planeta tiene un núcleo de metal sólido/líquido que incluye material radiactivo que emite calor. Ambos atributos parecen ser necesarios para el desarrollo de la vida animal: el núcleo metálico produce un campo magnético que protege la superficie del planeta de la radiación del espacio, y el calor radioactivo del núcleo, el manto y la corteza alimenta la tectónica de placas, que desde mi particular punto de vista también es necesaria para mantener la vida animal en el planeta. Ningún planeta como el de la Tierra puede existir en las regiones exteriores de la galaxia.

No solo la Tierra está en una posición, digamos, rara en su galaxia; También puede ser afortunado (Al menos en lo que se refiere a tener vida) al estar en una espiral en lugar de una galaxia elíptica. Las galaxias elípticas son regiones con poco polvo que al parecer exhiben poca formación de estrellas nuevas. La mayoría de las estrellas en las galaxias elípticas son casi tan antiguas como el universo. La abundancia de elementos pesados es baja, y aunque pueden aparecer asteroides y cometas, es dudoso que haya planetas de tamaño completo.

Zonas Habitables, y Tiempos, en el Universo

Debido a que nuestras limitaciones del Universo tienen que ver con el tiempo, debemos plantear nuestra pregunta en un sentido temporal: ¿Hay tiempos que son habitables en el Universo? Como veremos en futuras entradas, la vida (Al menos la vida como la conocemos) requiere muchos elementos que tuvieron que crearse después del Big Bang (La llegada del Universo, hace unos 15 mil millones de años). Veintiséis elementos (Incluidos el carbono, el oxígeno, el nitrógeno, el fósforo, el potasio, el sodio, el hierro y el cobre) desempeñan un papel importante en los componentes básicos de la vida avanzada, y muchos otros (Incluidos los elementos radiactivos pesados como el uranio) desempeñan un importante papel secundario al crear, en lo profundo de la Tierra, el calor indirectamente necesario para la vida. Todos estos elementos se crearon dentro de los centros de estrellas (A menudo en estrellas en explosión o supernovas) en lugar de en el Big Bang, por lo que no estuvieron presentes en abundancia suficiente para los primeros 2 mil millones de años o más del Universo. Entonces, la «zona habitable» del Universo, en el sentido del tiempo, comenzó solo después de sus primeros 2 mil millones de años. La historia temprana del Universo también estaba dominada por objetos conocidos como quásares, que habrían sido muy peligrosos.

El Universo primitivo debe haber estado sin vida o al menos vacío de vida avanzada, y de manera bastante notable, también existen límites en el tiempo durante el cual el Universo puede exhibir planetas similares a la Tierra que proporcionan un soporte de vida adecuado para la vida avanzada. La actividad geológica en la Tierra que es tan importante para controlar la temperatura atmosférica a través del ciclo de roca de CO₂ es impulsada por el calor liberado por la descomposición radioactiva de los átomos de uranio, torio y potasio. Estos elementos son producidos por explosiones de supernovas, y su tasa de formación está disminuyendo con el tiempo. En nuestra galaxia, las estrellas que se forman en la actualidad tienen menos de estos radioisótopos que el Sol cuando se formaron hace 4.600 millones de años. Es totalmente posible que los clones reales de la Tierra que se forman ahora alrededor de otras estrellas no tengan suficiente calor radioactivo para impulsar la tectónica de placas, un proceso clave que ayuda a estabilizar la temperatura de la superficie de la Tierra.

Nuestra definición de una zona habitable del universo se basa en el tiempo y, aunque es intrigante, sigue siendo un poco insatisfactoria. ¿Hay algún componente geográfico, en lugar de temporal, del Universo que favorezca o sea venenoso para la vida? Si pudiéramos mapear el Universo, ¿Encontraríamos regiones favorables y desfavorables, tal como lo hacemos en los sistemas estelares y en nuestra galaxia? En otras palabras, ¿La vida se distribuye de manera uniforme en todo el Universo o existen regiones donde existirá y otras donde no? Todavía no podemos responder preguntas como esta, pero algunos descubrimientos nuevos notables nos han permitido abordarlas, al menos.

Durante 10 días en diciembre de 1995, el Telescopio Espacial Hubble en órbita alrededor de la Tierra enfocó su gran espejo en una pequeña región en el espacio. Se realizaron un total de 342 exposiciones en las cercanías de la Osa Mayor. El área del espacio examinado es pequeña: Desde nuestra perspectiva, solo 1⁄30 del tamaño de la Luna llena. El área objetivo en esta pequeña región, ahora conocida como el Hubble Deep Field, era una aspersión de galaxias. El Hubble Deep Field parece ser una de las ventanas más ricas hacia galaxias distantes conocidas en el cielo.

Los resultados de estos 10 días de fotografía han sido espectaculares y, en cierto sentido, revolucionarios. Las fotografías revelaron galaxias de 3 a 15 veces más débiles, y por lo tanto proporcionalmente más distantes, que cualquier otra observación previa. Más de 1500 galaxias individuales pueden ser identificadas en las fotos. La luz de estos objetos débiles nos ha llegado desde el pasado profundo, desde períodos mucho antes de que se formara nuestra propia galaxia y nuestro propio sol. Las galaxias más distantes visibles en estas fotos probablemente se remontan a algún tiempo durante los primeros miles de millones de años después del comienzo del Universo, y, por lo tanto, pueden ser anteriores a la vida en cualquier lugar. Es poco probable que alguna de las estrellas en estas galaxias pueda tener planetas similares a la Tierra porque los elementos pesados para construirlos aún no estaban disponibles en abundancia. Por lo tanto, podemos estar viendo imágenes del Universo prebiótico.

Otra idea obtenida del Hubble Deep Field es que las galaxias más antiguas parecen tener formas más irregulares que las galaxias más nuevas. Del 30% al 40% de las galaxias más distantes (Y, por lo tanto, de las galaxias más antiguas) son inusuales o deformes en comparación con las más cercanas a nuestra propia galaxia. Las galaxias del Universo primitivo son bastante diferentes de las galaxias más nuevas. ¿La morfología de la galaxia afecta la habitabilidad? ¿Y ha cambiado la habitabilidad a través del tiempo?

Un resultado aún más sorprendente fue el descubrimiento de que las distintas distancias desde la Tierra de las muchas galaxias que se ven en estas fotos se agrupan en torno a unos pocos valores. Las galaxias parecen estar concentradas en grandes estructuras parecidas a burbujas o en forma de láminas con grandes vacíos entre ellas. Podríamos preguntarnos si las regiones a lo largo de estas grandes láminas de galaxias tienen una mayor o menor hospitalidad a la vida. Una clave para la habitabilidad en varias galaxias puede ser su abundancia de elementos pesados. Los planetas que se forman alrededor de estrellas pobres en metales pueden ser demasiado pequeños para retener océanos, atmósfera y tectónica de placas. Los planetas pobres en metales pueden no ser capaces de soportar o mantener la vida animal, por razones que detallaremos en capítulos posteriores. Se sabe que galaxias enteras son pobres en metales y, por lo tanto, probablemente carecen de vida animal.

El Final de la Habitabilidad Planetaria

Para casi toda la historia de la Tierra, la vida se limitaba a criaturas tan pequeñas que son invisibles a simple vista. La inspección casual durante todo ese tiempo habría sugerido que era un planeta fallido. En otros sistemas planetarios, la vida primitiva podría florecer, pero nunca avanzar hasta el punto en que los bosques y los animales voladores tengan incluso una gran posibilidad de evolucionar. Las estrellas con vidas cortas, atmósferas planetarias inestables, cambios en el eje orbital o de giro, extinciones masivas, impactos, catástrofes de la corteza, el cese de la tectónica de placas, o cualquiera de una serie de otros problemas podrían prevenir la evolución de la vida avanzada o su supervivencia prolongada. Y en la Tierra misma, la vida compleja ha prosperado solo durante el último 10% de la existencia del planeta.

Quizás el aspecto más predecible de la vida avanzada (Si existe) en otros planetas alrededor de otras estrellas es que su permanencia es limitada y que eventualmente cualquier tipo de vida, e incluso algunos de los planetas, perecerán. Al igual que los organismos individuales, los planetas y sus grandes entornos tienen una vida útil. Todos los planetas con vida eventualmente se extinguen. Este resultado final puede ser provocado por fuentes externas tales como impactos o una supernova cercana, por efectos internos tales como catástrofes atmosféricas o biológicas, o (Si todo lo demás falla) por un aumento en el brillo de la estrella central. Este será el destino final de la Tierra: La vida en nuestro planeta eventualmente será eliminada de la existencia. El Sol se está poniendo cada vez más brillante. Ahora es un 30% más brillante de lo que era en la historia temprana del planeta. Durante los próximos 4 mil millones de años se duplicará en brillo. Incluso si la vida sobrevive a este sufrimiento, pronto se calmará. Alrededor de 4 mil millones de años a partir de ahora, el Sol comenzará a expandirse rápidamente en tamaño y su brillo aumentará dramáticamente. El Sol se convertirá en una gigante roja, al igual que las estrellas Antares en la constelación de Escorpio y Betelgeuse en la constelación de Orión. En un lapso de tiempo de mil millones de años, su brillo aumentará más de 5000 veces. Al comienzo de este proceso, los océanos de la Tierra se vaporizarán, conduciendo nuestro precioso suministro de agua al espacio. En las etapas finales de su transformación en una gigante roja, el Sol se expandirá hasta el punto en que casi alcanzará la órbita de la Tierra.