Mientras que los planetas que orbitan estrellas gemelas son un elemento básico de la ciencia ficción, otro es que los humanos vivan en planetas que orbitan estrellas gigantes rojas. La mayoría de la historia de Planeta de los simios tiene lugar en un planeta alrededor de Betelgeuse. Planetas alrededor de Arcturus en Isaac Asimov Fundación Las series conforman la capital de su Sector Sirius. Se dice que el planeta natal de Superman orbita a un gigante rojo ficticio, Rao. Las razas en estos planetas a menudo se representan como viejas y sabias ya que sus estrellas están envejecidas y están llegando al final de sus vidas. ¿Pero es realmente plausible tener tales planetas?
Las estrellas no duran para siempre. Nuestro propio Sol tiene una fecha de vencimiento en aproximadamente 5 mil millones de años. En ese momento, la cantidad de combustible de hidrógeno en el núcleo del Sol se habrá agotado. Actualmente, la fusión de ese hidrógeno en helio está generando una presión que evita que la estrella se colapse sobre sí misma debido a la gravedad. Pero, cuando se agote, ese mecanismo de soporte desaparecerá y el Sol comenzará a encogerse. Este encogimiento hace que la estrella se caliente nuevamente, aumentando la temperatura hasta que una capa de hidrógeno alrededor del núcleo ahora agotado se calienta lo suficiente como para asumir el trabajo del núcleo y comienza a fusionar hidrógeno con helio. Esta nueva fuente de energía empuja las capas externas de la estrella hacia atrás y hace que se hinche miles de veces su tamaño anterior. Mientras tanto, la temperatura más alta para encender esta forma de fusión significará que la estrella emitirá 1,000 a 10,000 veces más luz en general, pero dado que esta energía se extiende sobre un área de superficie tan grande, la estrella aparecerá roja, de ahí que nombre.
Así que este es un gigante rojo: una estrella moribunda que está hinchada y muy brillante.
Ahora para echar un vistazo a la otra mitad de la ecuación, a saber, ¿qué determina la habitabilidad de un planeta? Dado que estas historias de ciencia ficción inevitablemente tienen humanos caminando por la superficie, hay algunos criterios bastante estrictos que esto tendrá que seguir.
En primer lugar, la temperatura no debe ser demasiado caliente ni demasiado fría. En otras palabras, el planeta debe estar en la zona Habitable también conocida como "zona Ricitos de Oro". Esto es generalmente una franja bastante buena de bienes raíces celestes. En nuestro propio sistema solar, se extiende desde aproximadamente la órbita de Venus hasta la órbita de Marte. Pero lo que hace que Marte y Venus sean inhóspitos y que la Tierra sea relativamente acogedora es nuestra atmósfera. A diferencia de Marte, es lo suficientemente grueso como para mantener gran parte del calor que recibimos del sol, pero no demasiado como Venus.
La atmósfera también es crucial en otros aspectos. Obviamente es lo que los intrépidos exploradores van a respirar. Si hay demasiado CO2, no solo atrapará demasiado calor, sino que dificultará la respiración. Además, CO2 no bloquea la luz ultravioleta del sol y las tasas de cáncer subirían. Por lo tanto, necesitamos una atmósfera rica en oxígeno, pero no demasiado oxígeno, o no habrá suficientes gases de efecto invernadero para mantener el planeta caliente.
El problema aquí es que las atmósferas ricas en oxígeno simplemente no existen sin alguna ayuda. El oxígeno es realmente muy reactivo. Le gusta formar enlaces, por lo que no está disponible para ser libre en la atmósfera como queremos. Forma cosas como H2O, CO2, óxidos, etc. Es por eso que Marte y Venus prácticamente no tienen oxígeno libre en sus atmósferas. Lo poco que hacen proviene de la luz ultravioleta que golpea la atmósfera y hace que las formas unidas se disocien, liberando temporalmente el oxígeno.
La Tierra solo tiene tanto oxígeno libre como lo hace debido a la fotosíntesis. Esto nos da otro criterio que necesitaremos para determinar la habitabilidad: la capacidad de producir fotosíntesis.
Así que comencemos a poner todo esto junto.
En primer lugar, la evolución de la estrella a medida que abandona la secuencia principal, se hincha a medida que se convierte en un gigante rojo y se vuelve más brillante y más caliente significará que la "zona de Ricitos de Oro" se extenderá hacia afuera. Los planetas que antes eran habitables como la Tierra se asarán si el Sol no los traga por completo a medida que crece. En cambio, la zona habitable estará más lejos, más donde está Júpiter ahora.
Sin embargo, incluso si un planeta estuviera en esta nueva zona habitable, esto no significa que sea habitable bajo la condición de que también tenga una atmósfera rica en oxígeno. Para eso, necesitamos convertir la atmósfera de una pobre en oxígeno, a una rica en oxígeno a través de la fotosíntesis.
Entonces, la pregunta es ¿qué tan rápido puede ocurrir esto? Demasiado lento y es posible que la zona habitable ya haya barrido o que la estrella se haya quedado sin hidrógeno en el caparazón y haya comenzado a contraerse nuevamente solo para encender la fusión de helio en el núcleo, una vez más congelando el planeta.
El único ejemplo que tenemos hasta ahora es en nuestro propio planeta. Durante los primeros tres mil millones de años de vida, hubo poco oxígeno libre hasta que surgieron los organismos fotosintéticos y comenzaron a convertirlo a niveles cercanos al de hoy. Sin embargo, este proceso tomó varios cientos de millones de años. Si bien esto probablemente podría aumentarse en un orden de magnitud a decenas de millones de años con bacterias genéticamente modificadas sembradas en el planeta, aún debemos asegurarnos de que las escalas de tiempo funcionen.
Resulta que las escalas de tiempo serán diferentes para diferentes masas de estrellas. Las estrellas más masivas queman su combustible más rápido y, por lo tanto, serán más cortas. Para estrellas como el Sol, la fase gigante roja puede durar aproximadamente 1.500 millones de años, por lo que ~ 100 veces más de lo necesario para desarrollar una atmósfera rica en oxígeno. Para las estrellas dos veces más masivas que el Sol, esa escala de tiempo se reduce a solo 40 millones de años, acercándose al límite inferior de lo que necesitaremos. Las estrellas más masivas evolucionarán aún más rápidamente. Entonces, para que esto sea plausible, necesitaremos estrellas de menor masa que evolucionen más lentamente. Un límite superior aproximado aquí sería una estrella de dos masas solares.
Sin embargo, hay un efecto más del que debemos preocuparnos: ¿podemos tener suficiente CO2 en la atmósfera para incluso tener fotosíntesis? Aunque no es tan reactivo como el oxígeno, el dióxido de carbono también está sujeto a ser eliminado de la atmósfera. Esto se debe a efectos como la meteorización de silicatos como el CO2 + CaSiO3 -> CaCO3 + SiO2. Si bien estos efectos son lentos, se acumulan con escalas de tiempo geológicas. Esto significa que no podemos tener planetas viejos ya que habrían tenido todo su CO gratis2 encerrado en la superficie. Este equilibrio fue explorado en un artículo publicado en 2009 y determinó que, para un planeta masivo de la Tierra, el CO libre2 ¡se agotaría mucho antes de que la estrella madre llegara a la fase gigante roja!
Por lo tanto, debemos tener estrellas de baja masa que evolucionen lentamente para tener tiempo suficiente para desarrollar la atmósfera correcta, pero si evolucionan lentamente, entonces no hay suficiente CO2 ¡De todos modos dejó la atmósfera! Estamos atrapados con una captura 22 real. La única forma de volver a hacer esto posible es encontrar una manera de introducir cantidades suficientes de CO nuevo.2 en la atmósfera justo cuando la zona habitable comienza a barrer.
Afortunadamente, hay algunos depósitos bastante grandes de CO2 solo volando! Los cometas están compuestos principalmente de monóxido de carbono congelado y dióxido de carbono. Chocar algunos de ellos en un planeta introduciría suficiente CO2 para potencialmente iniciar la fotosíntesis (una vez que el polvo se haya asentado). Haga eso unos cientos de miles de años antes de que el planeta entre en la zona habitable, espere diez millones de años, y luego el planeta podría potencialmente ser habitable por hasta mil millones de años más.
En última instancia, este escenario sería plausible, pero no exactamente una buena inversión personal, ya que estaría muerto mucho antes de poder cosechar los beneficios. Quizás sea una estrategia a largo plazo para la supervivencia de una especie espacial, pero no es una solución rápida para derribar colonias y puestos de avanzada.
