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Protección magnética de exolunas: ser o no ser
Cuál es el rol del campo magnético de planetas gigantes en la protección de sus lunas potencialmente habitables?

 

Un nuevo estudio sobre los campos magnético de planetas gigantes extrasolares ofrece las primeras pistas acerca de cuál sería el ambiente magnético de las lunas extrasolares.  El trabajo desarrollado por René Heller del Departmento de Física y Astronomía de la Universidad de McMaster (Canadá) y Jorge I. Zuluaga del grupo FACom en el Instituto de Física de la Universidad de Antioquia (Colombia) es el primero en explorar el complejo ambiente magnético de las exolunas y su impacto en la habitabilidad de estos objetos peculiares.  Lamentablemente los resultados no son completamente alentadores.  Las lunas más masivas predichas por la teoría de la formación planetaria son en realidad pequeñas comparadas con la Tierra de modo que la única posibilidad para que estas lunas estén protegidas magnéticamente de las partículas y radiaciones de alta energía provenientes de la estrella y de más allá del sistema planetario, es si ellas están cubiertas por la magnetosfera de sus planetas.  El trabajo muestra sin embargo, que para que las lunas estuvieran protegidas magnéticamente se tendrían que ubicar en órbitas muy cercanas al planeta de modo que estarían sometidas a un enorme calentamiento por efecto de las mareas gravitacionales del planeta.  Como resultado la mayoría de las lunas serían inhabitables.  Estos resultados representan solo el comienzo de una interesante línea de investigación que agrega un factor novedoso a los ya existentes y que determinan habitabilidad de estas "Pandoras" extraterrestres.

Es probable que la primera imagen que llega a la mente cuando pensamos en una luna extrasolar sean los hermosos paisajes de Pandora, la luna hipotética de la película Avatar de James Cameron.   Pero el ambiente de las lunas extrasolares parece ser menos favorable que las versiones idealizadas mostradas en la gran pantalla.  Aún si se encontrará una exoluna girando alrededor de un planeta localizado en la "Zona de Habitabilidad" estelar, es decir en la región donde la cantidad de luz incidente permite la existencia de agua líquida y por lo tanto de vida, el cuerpo estaría sometido a un sinnúmero de otros efectos perturbadores que harían las cosas para la vida aún más difíciles de lo que pensabamos.

En un artículo aceptado para publicación en las Astrophysical Journal Letters, el Prof. Jorge I. Zuluaga y el Dr. René Heller han estudiado la relación entre el campo magnético de planetas gigantes extrasolares en la zona de habitabilidad estelar y el así llamado "borde de habitabilidad" alrededor de esos planetas.  Este borde define la distancia mínima al planeta a la cual una luna hipotética empezaría a sufrir un efecto invernadero desbocado (runaway greenhouse effect por su nombre técnico en inglés) — un estado inhabitable similar al de Venus.  Heller y Zuluaga estudiaron lunas con masas y tamaños similares a aquellos de Marte orbitando planetas con masas y composiciones que van desde la de Neptuno hasta la de Júpiter.  Lunas más grandes, con masas similares a la Tierra, probablemente no se formarían ni siquiera alrededor de los planetas más grandes.  De otro lado, lunas más pequeñas que marte no serán fácilmente detectadas en el futuro cercano y por la misma razón fueron excluídas del estudio.
 
 
Estructura de la magnetósfera de planetas gigantes.  Las líneas punteadas representan la óbrita de lunas que están completamente protegidas (CS por su sigla en inglés "Completely Shielded"), parcialmente protegidas (PS) y desprotegidas (US)
 
El aspecto central del trabajo de Heller y Zuluaga es el cálculo del tamaño de las magnetósferas de planetas gigantes que están localizados en la zona de habitabilidad de sus estrellas anfitrionas (ver figura).  Las magnetosferas planetarias son "burbujas" de plasma y campos magnéticos creados por el choque entre el viento estelar y el campo magnético del planeta.  Estas burbujas separan el ambiente inmediato del planeta del muy diferente ambiente interplanetario.  Las magnetósferas pueden cubrir espacios enormes.  En el sistema solar, por ejemplo, Júpiter esta rodeado de una magnetósfera que alcanza en el lado diurno distancias de hasta 50 veces el radio del planeta (equivalentes a 3.5 millones de km o casi 10 veces la distancia de la Tierra a la Luna) y se extiende hasta distancias tan lejanas como la orbita de Saturno en el lado nocturno, creando una cola "invisible" de plasma.   Aunque la magnetósfera y su larga cola pueden cubrir miles de millones de kilómetros, la parte más importante en términos de la protección completa de las lunas, esta restringida a una región de un tamaño comparable a la distancia del lado diurno o "distancia de equilibrio" (RS o standoff distance en inglés, ver figura).
 
Pero, ¿cómo puede uno conocer o predecir el tamaño de la magnetosfera de un planeta extrasolar?  Este es un campo en el que el Prof. Zuluaga se ha especializado en el último par de años.  Él y su equipo en la Universidad de Antioquia han acumulado la experiencia necesaria y el conocimiento sobre la generación y mantenimiento de campos magnéticos en planetas terrestres así como en planetas gigantes y lo han usado en este y otros trabajos para predecir las intensidades de esos mismos campos magnéticos.  Este conocimiento fue recientemente aplicado para predecir los campos magnéticos de planetas como la tierra como parte de un trabajo que fue publicado en el Astrophysical Journal (ver referencia).  Para calcular el campo magnético de planetas gigantes se requiere el conocimiento de las propiedades globales y de la estructura interior de esos planetas.  Para este propósito Heller & Zuluaga escarbaron en los modelos desarrollados por Jonathan Fortney y colaboradores de la Universidad de California en Santa Cruz y usaron las propiedades de planetas con tamaños y composiciones diferentes para estimar sus propiedades magnéticas.  ¿Qué tan confiables podrían ser estos resultados?  Aplicados a cuerpos bien conocidos en el sistema solar, los métodos desarrollados por Zuluaga y su equipo son capaces de predecir, por lo menos al orden de magnitud, el así llamado momento dipolar magnético de cuerpos tan diferentes como Ganímedes o Júpiter.  Esta precisión es suficiente para predecir el tamaño de magnetosferas exoplanetarias, en el sistema solar y fuera de él, dentro de un factor de 2.
 
Comparaciones entre los momentos dipolares magnéticos observados (cruces) en objetos seleccionados del sistema solar (especialmente planetas gigantes) y aquellos predichos con los modelos desarrollados por Zuluaga et al. (2013)
 
Pero ¿dónde entran las exolunas en esta historia?  Llegan justo con el trabajo del experto en exolunas, René Heller.  Heller y su colega Rory Barnes publicaron un artículo en enero de 2013 en la revista Astrobiology en el cuál mostraron que las exolunas no pueden estar arbitrariamente cerca de sus planetas anfitriones debido a la importante cantidad de luz proveniente del planeta y al calor generado por las mareas gravitacionales.  En ese trabajo los investigadores introdujeron el concepto de "borde de habitabilidad", la distancia mínima a la cual una exoluna se calentaría demasiado por los factores mencionados antes como para permitir la existencia de agua líquida superficial.  En realidad hay dos bordes, definidos cada uno por criterios diferentes:  el más cercano (y optimista) esta determinado por la máxima cantidad de calor que la atmósfera de la exoluna puede absorber antes de pasar al estado de efecto invernadero desbocado.  Más afuera se encuentra un borde más pesimista definido por la cantidad de calor producido por la Luna Io de Júpiter, que actuaría como un referente.  En esta última condición la exoluna sería tan activa geologicamente (con muchos volcanes o actividad magmática superficial) que la vida la tendría muy difícil para desarrollarse.
 
Una vez puestas en el mismo modelo, la estimación del tamaño de la magnetosfera y de los bordes de habitabilidad condujeron a resultados muy interesantes en relación con las condiciones de habitabilidad en las exolunas. Heller & Zuluaga encontraron que exolunas orbitando planetas similares a Neptuno, Saturno y Júpiter en la zona de habitabilidad de una estrella de 0.7 veces la masa del Sol y en órbitas con eccentricidades típicas de las lunas del sistema solar, estarían protegidas por el campo magnético del planeta únicamente si estuvieran más cerca del borde de habitabilidad.  En otras palabras, o bien las lunas estarían protegidas magnéticamente o serían habitables, pero no ambos.  ¡Malas noticias!.  Los resultados, sin embargo, dependen de la composición de los planetas.  Por ejemplo, un planeta como Neptuno que en lugar de tener casi la mitad de su masa en la forma de Hidrógeno estuviera hecho casi completamente de elementos pesados podría tener algún chance de proteguer sus lunas habitables desde el principio de la vida del sistema planetario cuando el viento estelar era mas fuerte y el efecto sobre las atmósferas de las exolunas sería mayor.
 
Evolución de la distancia de equilibrio de la magnetósfera planetaria (Rs, espiral azul) y los bordes de habitabilidad (espirales negra y verde, negra para el borde del efecto invernadero desbocado y verde para el borde de Io) para un planeta similar a Neptuno en la zona de habitabilidad de una estrella de 0.7 veces la masa del Sol.
 
¿Cuáles serían las implicaciones y futuro de este trabajo? Heller & Zuluaga han puesto de relieve un aspecto de la habitabilidad de exolunas realmente interesante y no considerado en detalle hasta el presente.  El tema deberá ser explorado en profundidad en lo sucesivo, algo que los investigadores anunciaron como parte de su trabajo futuro.  Aunque todavía es difícil predecir el resultado de sus investigaciones, una cosa importante han logrado establecer el Prof. Jorge Zuluaga y el Dr. René Heller: los habitantes de Pandora tendrán momentos difíciles cuando traten de seguir sus brújulas.
 
El trabajo completo puede ser descargado desde el repositorio de los arXiv: http://arxiv.org/abs/1309.0811
 
Notas y lecturas recomendadas:
  • Para una descripción detallada de como el campo magnético de los planetas es estimado por favor refiérase al trabajo de Zuluaga et al. (2013): http://arxiv.org/abs/1304.2909 
  • El trabajo de Heller & Barnes en Astrobiology definiendo los bordes de habitabilidad puede ser descargado de: http://arxiv.org/abs/1209.5323 

Créditos de las imágenes:

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