Impactos repetidos podrían regenerar atmósferas en exoplanetas alrededor de enanas rojas

Los científicos que estudian exoplanetas esperan con ansias el descubrimiento de una atmósfera en un exoplaneta terrestre. No se trata de una colección de moléculas tenue y apenas perceptible, sino de una atmósfera robusta y potencialmente capaz de sostener vida. La mayoría de los planetas terrestres que se han detectado orbitan enanas rojas (M enanas).

Este hecho presenta un desafío para la búsqueda de atmósferas, ya que las enanas rojas son conocidas por sus violentas erupciones. Dado que estas estrellas son muy tenues, su zona habitable se encuentra muy cerca de ellas. Esto implica que los exoplanetas en la zona habitable están expuestos a estas erupciones, lo que se espera que destruya cualquier atmósfera que puedan tener. Sin una atmósfera, las posibilidades de habitabilidad son extremadamente débiles.

Además, los exoplanetas en las zonas habitables de las enanas rojas probablemente están bloqueados por marea, lo que significa que un lado del planeta está constantemente iluminado (lado diurno) y el otro permanece en la oscuridad (lado nocturno). Esto genera una situación inusual, según una nueva investigación titulada "Colapso atmosférico y reinflación a través de impactos para planetas terrestres alrededor de M enanas", cuyo autor principal es Prune August, estudiante de doctorado en el Departamento de Investigación y Tecnología Espacial de la Universidad Técnica de Dinamarca. Este estudio ha sido enviado a la revista Astrophysical Journal Letters y está disponible en el servidor de preprints arXiv.

Como indica el título, el trabajo se centra en los exoplanetas terrestres que orbitan enanas M. "Las atmósferas de estos planetas son vulnerables a la erosión y colapso atmosférico debido a la condensación de volátiles en el lado nocturno", escriben los autores. Esto significa que no solo son propensas a la destrucción por las erupciones, sino que algunos volátiles se congelan y colapsan sobre la superficie en el lado oscuro y frío. "Sin embargo, estos volátiles colapsados, acumulados como hielo en el lado nocturno, constituyen un reservorio estable que podría ser re-vaporizado por impactos de meteoritos y restablecer las atmósferas".

Esta idea es inusual. Si las erupciones de las enanas rojas son más destructivas al principio de la vida de la estrella, entonces, una vez que disminuyan las erupciones, el calor de los impactos podría reconstituir los volátiles del lado nocturno en una nueva atmósfera. "A través de un modelo de balance energético simple aplicado a simulaciones de evolución atmosférica con impactos estocásticos, evaluamos la viabilidad e importancia de este mecanismo para atmósferas de CO", escriben los autores.

En su trabajo, consideraron exoplanetas del programa JWST DDT Rocky Worlds, un esfuerzo de observación para encontrar atmósferas en exoplanetas que orbitan pequeñas enanas rojas. Como primer paso, realizaron simulaciones para impactos aleatorios en un exoplaneta del tamaño y masa de la Tierra que orbita una enana roja a tres distancias orbitales diferentes. También asignaron al planeta una tasa de desgasificación de CO fija, igual a la de la Tierra moderna.

En general, encontraron que los impactadores de tamaño moderado, de alrededor de 10 km de diámetro, que golpean un planeta aproximadamente cada 100 millones de años podrían mantener una atmósfera que sea detectable.

A partir de ahí, aplicaron el modelo resultante a tres planetas del programa Rocky Worlds: LTT 1445 Ab, LTT 1445 Ac y GJ 3929 b. "En lugar de centrarnos en un estado final estático de la evolución, computamos la fracción de tiempo que cada planeta pasa con una atmósfera inflada", explican los investigadores. "Este enfoque tiene en cuenta la presencia de atmósferas transitorias, como las generadas por impactos".

Los investigadores realizaron 50,000 situaciones de Monte Carlo con una variedad de tasas de impacto y tasas de desgasificación de CO₂. Las simulaciones comenzaron cuando los planetas tenían 2.2 mil millones de años y 12 mil millones de años. Juntos, determinaron cuál es el rango óptimo de tasas de impacto para la regeneración atmosférica.

Por supuesto, nuestro conocimiento de las tasas de impacto en exoplanetas está lejos de ser cierto. "Estimar las tasas de impacto para sistemas exoplanetarios sigue siendo muy incierto, dependiendo de factores como la presencia y estructura de cinturones de escombros y la arquitectura del sistema planetario", escriben los autores.

Existen muchas otras incertidumbres, como la extensión de las capas de hielo en el lado nocturno en comparación con los casquetes polares. Debe haber una gran cantidad de hielo y los impactadores deben golpearlo. "Un impactador tiene una mayor probabilidad de golpear hielo en comparación con los casquetes polares", explican los investigadores.

A pesar de todas estas incertidumbres, este trabajo pinta un cuadro diferente al que estamos acostumbrados. En lugar de que las atmósferas de los exoplanetas terrestres evolucionen desde un estado inicial hasta un estado final evolutivo, pueden ser transitorias. En lugar de estar gobernadas puramente por propiedades generales, puede estar en juego una regeneración episódica. "Esta visión dinámica es observacionalmente importante, ya que sugiere que las tasas de detección pueden reflejar la persistencia atmosférica en lugar de los puntos finales evolutivos", escriben los autores.

Esto tiene algunas implicaciones para cómo observamos los exoplanetas y buscamos atmósferas. "Si un planeta pasa del 1 al 10% de su tiempo con una atmósfera, deberíamos esperar una tasa de éxito correspondiente en su detección", escriben los investigadores. Uno de los tres planetas, LTT 1445 Ab, podría tener una atmósfera más del 50% del tiempo. Esto significa que las atmósferas impulsadas por impactos son un "camino viable para mantener atmósferas detectables alrededor de exoplanetas rocosos".

Estos resultados son contraintuitivos. En su conclusión, los autores señalan que tener un lado nocturno helado puede ser lo que protege las atmósferas de los exoplanetas terrestres de ser destruidas y despojadas por las erupciones de las estrellas enanas rojas. La atmósfera espera en un estado congelado hasta que los impactos la regeneran.

"El colapso atmosférico, aunque típicamente visto como perjudicial para la supervivencia de las atmósferas alrededor de exoplanetas rocosos bloqueados por marea, juega un papel protector para los volátiles al protegerlos de la fuga atmosférica", escriben los autores en su conclusión.

Aunque el lado nocturno puede actuar como un reservorio considerable de volátiles que pueden reconstituir la atmósfera, demasiados impactos pueden ser perjudiciales. Existe un punto óptimo para la tasa de impacto y para el tamaño del impactador. Si sus diámetros oscilan entre 5 y 10 km, y entre 1 y 100 de ellos golpean un solo planeta en mil millones de años, un exoplaneta rocoso podría reconstituir su atmósfera.

"Bajo esta métrica, los planetas rocosos alrededor de M enanas podrían retener una atmósfera detectable de CO₂ durante aproximadamente el 1 al 45% de su vida útil bajo condiciones plausibles", concluyen los investigadores.

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