¿Quién trajo el agua?

Sebastián Marino, astrónomo

Vivimos en una época de cambios vertiginosos tanto en la sociedad como en la ciencia, en especial la astronomía. En la última década hemos descubierto miles de exoplanetas (planetas que orbitan alrededor de estrellas como el Sol), la mayoría completamente distintos a los planetas del sistema solar. Estos, sin duda, han desafiado nuestras ideas preconcebidas del cosmos y teorías de formación planetaria. No obstante, estos descubrimientos nos han acercado aún más a responder preguntas fundamentales, como por ejemplo, si hay vida en otros planetas. Responder esta pregunta requerirá del desarrollo de tecnologías capaces de detectar y caracterizar planetas como la Tierra y, además, en paralelo, identificar aquellos sistemas planetarios más favorables para la vida.

Lo último requiere que miremos atrás en la historia de nuestro sistema solar y tratemos de entender qué procesos hicieron a la Tierra un planeta habitable, con grandes océanos y una atmósfera estable. Aquello no es para nada sencillo, ya que incluso el origen del compuesto más importante para la vida en nuestro planeta, que es el agua, es aún incierto y debatido.

Nuestro planeta se formó a partir de pequeños granos de polvo en un disco protoplanetario que rodeaba un Sol recién formado hace 4500 millones de años. Estos granos lentamente se fueron uniendo hasta formar asteroides y cometas, y algunos de estos siguieron creciendo hasta formar planetas como la Tierra. Esto significa que la composición de nuestro planeta debería ser muy similar a la de esos granos que a veces pueden contener agua en forma de hielo. Pero el problema es el siguiente: a la distancia a la que está la Tierra del Sol, las temperaturas son lo suficientemente altas para que el agua no permanezca congelada en estos granos y, por lo tanto, la Tierra debiera ser un planeta completamente seco. Pero nuestro planeta tiene agua. Es esta razón, junto con evidencia presente en meteoritos y la estructura de nuestro Sistema Solar, la que sugiere que la mayoría del agua en nuestro planeta llegó de otras zonas del Sistema Solar, donde las temperaturas eran menores y el agua permaneció congelada.

Entonces, ¿quién trajo el agua? Una de las hipótesis más establecidas describe cómo asteroides y cometas formados en zonas más frías del sistema solar, más allá de la órbita de Júpiter, y por lo tanto ricos en hielo, trajeron el agua a la Tierra a través de impactos. Es decir, el agua pudo haber llegado en forma de lluvia, pero una lluvia de meteoritos y cometas que contenían agua en su interior y que fueron lanzados hacia nuestro planeta por Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno. Esta lluvia podría ser algo que todo planeta necesita para ser habitable, y por eso es fundamental estudiar este material asteroidal o cometario, rico en agua, alrededor de otros sistemas planetarios.

Precisamente sobre eso es mi investigación: estudiar este material rico en agua y los compuestos volátiles alrededor de otras estrellas para lograr entender cómo se forma, cuál es su composición y cómo interactúa con los exoplanetas en su sistema. Gran parte de este material se encuentra en cinturones de exocometas parecidos al cinturón de Kuiper en las regiones externas del Sistema Solar. Estos exocometas pueden tener decenas o incluso centenas de kilómetros en diámetro, pero aún con ese gran tamaño, los exocometas son diminutos en escalas planetarias y su detección es casi imposible. Pero la naturaleza nos dio una mano y nos entregó una manera indirecta de detectarlos, pues de vez en cuando los exocometas colisionan entre ellos, generando nubes de polvo y piedras que cubren áreas mucho más grandes, y por lo tanto más fáciles de detectar. Estas colisiones incluso liberan compuestos volátiles como agua o monóxido de carbono que estaban congelados o atrapados en los interiores de exocometas. A estas nubes de material cometario orbitando otras estrellas las llamamos discos de escombros, y son importantísimos ya que nos permiten trazar la distribución espacial de los exocometas y su composición.

El observatorio ALMA, en el desierto de Atacama, es capaz de detectar la luz termal emitida por este polvo cometario y producir imágenes que nos permiten entender la forma de estos discos. Desde que ALMA entró en funcionamiento hace 10 años, hemos logrado determinar la estructura de decenas de discos de escombros y empezar a entender las estructuras que estos pueden tener, e incluso podemos descomponer esta luz en sus distintas frecuencias y así determinar la presencia de gases (como monóxido de carbono) que emiten ondas de radio a frecuencias bien conocidas. Es casi como sintonizar nuestra radio favorita. Al comparar la cantidad de polvo y gas podemos determinar qué tan ricos en elementos volátiles son los exocometas, y lo que hemos descubierto es que estos parecen ser similares en composición a los cometas del Sistema Solar.

Uno de los tipos de estructuras más sorprendentes lo encontramos hace 3 años. Imágenes de ALMA revelaron que varios de estos discos están divididos por surcos. Es decir, el disco está compuesto por dos anillos concéntricos. Mi hipótesis es que estos surcos delatan la órbita de exoplanetas que se formaron en medio de ellos y que con su gravedad los escarban. Este fenómeno sería parecido a como muchos de los anillos de Saturno están separados por surcos, en donde hay pequeñas lunas que los mantienen abiertos, o al modo en que el gran espacio entre el cinturón de asteroides y de Kuiper fue limpiado por Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno. El material cometario escarbado habría sido lanzado a otras regiones del sistema, y una fracción de este, muy probablemente, a las zonas interiores donde podrían impactar algún planeta rocoso y contribuir a la formación de océanos y una atmósfera. Dado el ancho de estos anillos, uno puede predecir la masa de estos exoplanetas. Mientras más ancho el anillo, más masivo el planeta.

Estos exoplanetas no han sido detectados por las mejores cámaras instaladas en telescopios ópticos como el VLT en Paranal o el telescopio espacial Hubble. Pero de acuerdo a nuestras predicciones, estos exoplanetas serían del tamaño de Neptuno o Saturno, por lo que habrían pasado desapercibidos. No obstante, el 18 de diciembre de este año será lanzado un nuevo telescopio espacial llamado James Webb, que tendrá un espejo de 6.5 metros y cámaras infrarrojas capaces de detectar la luz proveniente de los planetas. Uno de los proyectos del Webb consistirá en observar tres sistemas planetarios, escogidos por mí, que tienen discos de escombros y surcos que los dividen, y determinar si estos exoplanetas existen o estos surcos se formaron de otra forma. Si logramos confirmar estos planetas y determinar sus masas, podremos entender mejor qué tipo de planetas orbitan las zonas exteriores de los sistemas planetarios donde los cometas son abundantes. Esto es fundamental para dilucidar, finalmente, cuánto material exocometario rico en agua puede ser llevado a planetas interiores que se hayan formado secos como la Tierra.

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Sebastián Marino
Sebastián Marino nació y creció en Santiago. En 2010, entró a estudiar astronomía a la Universidad de Chile, en donde hizo su pregrado y magíster investigando formación planetaria. En 2015 comenzó su doctorado en el Reino Unido en la Universidad de Cambridge, dedicado a la investigación en exocometas. Una vez graduado, Sebastián ha seguido investigando exocometas, primero como investigador en el Max Planck Institute for Astronomy en Heidelberg, Alemania, y más recientemente como investigador miembro de Jesus College en la Universidad de Cambridge.

Créditos imagen: Sebastian Marino, imágenes ALMA de discos de exocometas alrededor de 9 estrellas. Imágenes basadas en observaciones ALMA publicadas en Marino et. al 2018, 2019; Matrà et al. 2019; Faramaz et al., 2021; Daley et al., 2019; Lovell et al., 2021; Pawellek et al., 2021; Marino et al., 2017; MacGregor et al., 2017.