Los exoplanetas contienen más agua de la que los científicos creían

Nuevas investigaciones sugieren que los planetas que antes se creía estaban cubiertos por vastos océanos globales podrían ser más parecidos a la Tierra de lo que se pensaba, según hallazgos que indican que es más probable que el agua —y probablemente la vida— exista bajo la superficie de muchos exoplanetas en lugar de inundar su superficie.

Los planetas con océanos de magma que contienen agua, como el exoplaneta similar a la Tierra GJ 1214 b en esta representación artística, solo albergarán una pequeña fracción de esta agua en su superficie. La mayor parte se almacena en lo profundo de sus interiores. Crédito: NASA/JPL-Caltech/R. Hurt.

Muchos exoplanetas conocidos ubicados cerca de sus estrellas tienen superficies cubiertas de océanos de magma. En estos entornos, el agua se disuelve en la capa de silicato fundido que rodea un núcleo de hierro, mientras que el dióxido de carbono asciende a la atmósfera.

Ahora, un equipo de investigación liderado por Caroline Dorn, profesora en la ETH Zúrich, en colaboración con Haiyang Luo y Jie Deng de la Universidad de Princeton, ha publicado un artículo que ofrece nuevas perspectivas sobre el papel único que desempeña el agua en este proceso.

Exoplanetas fundidos y el agua oculta de la Tierra

Hace cuatro años, un equipo comenzó a examinar las interacciones entre agua, hierro y silicatos en un estudio anterior que simulaba las condiciones de la joven Tierra para comprender cómo se comportaría el agua en tales condiciones. Sorprendentemente, las simulaciones sugirieron que una cantidad de agua equivalente a 80 océanos terrestres podría estar atrapada bajo la superficie. Experimentos posteriores y mediciones sismológicas respaldaron estos hallazgos. El equipo de Dorn luego exploró qué podría significar esto para el agua que se pensaba cubría la superficie de algunos exoplanetas.

El método actual para estimar la cantidad de agua en un exoplaneta es relativamente sencillo. Los astrónomos miden la masa y el tamaño de los exoplanetas y utilizan estos datos para crear diagramas de masa-radio que ayudan a determinar la composición de estos mundos. Sin embargo, dicho enfoque pasa por alto factores cruciales, como la solubilidad y distribución del agua, lo que podría llevar a una subestimación significativa del volumen de este valioso elemento para la vida.

Dorn señala que estos modelos simplistas han conducido a conclusiones erróneas, afirmando que «los planetas son mucho más abundantes en agua de lo que se suponía anteriormente».

Según su artículo, el equipo realizó simulaciones de dinámica molecular ab initio que revelaron los coeficientes de partición metal-silicato del agua a presiones de hasta 1.000 GPa. Utilizando estos datos, modelaron los interiores de los planetas para examinar los efectos del contenido de agua en la densidad, la temperatura de fusión y la partición del agua. Estos detallados modelos computacionales mostraron un comportamiento consistente con investigaciones anteriores sobre el agua en la Tierra.

Hallazgos experimentales

«El núcleo de hierro tarda en desarrollarse. Inicialmente, una porción significativa del hierro está contenida en el magma caliente como gotas», explicó Dorn, señalando cómo el agua se adhiere a estas gotas de hierro mientras caen hacia el núcleo del planeta. «Las gotas de hierro actúan como un ascensor, llevando el agua hacia abajo».

Cuatro escenarios modelo empleados en el nuevo estudio. Crédito: H. Luo et al., Nature Astronomy, 2024.

Según la profesora, un hallazgo clave del estudio es que «cuanto más grande es el planeta y mayor su masa, más agua tiende a ser absorbida hacia el núcleo junto con las gotas de hierro. En ciertas condiciones, el hierro puede absorber hasta 70 veces más agua que los silicatos. Sin embargo, debido a la inmensa presión en el núcleo, el agua ya no existe como moléculas de H₂O, sino como hidrógeno y oxígeno».

Implicaciones para los estudios de exoplanetas

La investigación sugiere dos posibles destinos para el agua en los exoplanetas: podría quedar atrapada en el núcleo o disolverse en la capa fundida, eventualmente ascendiendo desde el manto como gas atmosférico. Dorn destaca la importancia de esto para los estudios atmosféricos, señalando que si los astrónomos detectan agua en la atmósfera de un planeta, probablemente haya mucha más agua en su interior. Esto es crucial porque, como señala la experta, la atmósfera es la única parte de un exoplaneta que se puede medir directamente.

«Nuestro grupo busca conectar las observaciones atmosféricas con el funcionamiento interno de los cuerpos celestes», comentó.

Aunque la abundancia de agua en un planeta puede sonar prometedora, los científicos advierten que los océanos globales que se creía cubrían las supertierras —planetas masivos similares a la Tierra— podrían ser inhóspitos para la vida. En tales planetas, el hielo a alta presión podría impedir el intercambio de sustancias necesarias para que surja la vida. No obstante, el actual estudio desafía esas preocupaciones al mostrar que la mayor parte del agua de un planeta —hasta un 95 %— probablemente esté bajo la superficie. Como resultado, los planetas que se creía estaban cubiertos por un único superocéano podrían tener condiciones superficiales similares a las de la Tierra.

Fuente: ETH Zúrich. Edición: MP.