La luz de mundos distantes puede revelar vida extraterrestre

¿Hay vida extraterrestre ahí fuera? El astrofísico Kevin Heng analiza las señales más diminutas de la atmósfera de los exoplanetas para responder a una de las preguntas más importantes que existen.

Los exoplanetas tienden a ser tímidos y retraídos. Cuando se los identifica en las proximidades de estrellas distantes (ya sea porque bloquean brevemente la luz de sus estrellas de origen cuando pasan frente a ellas en sus órbitas, o porque ejercen tal atracción sobre las estrellas que la luz estelar parece pulsar), los mundos alienígenas no revelan demasiado sobre sí mismos. Los astrónomos pueden simplemente estimar el tamaño, la masa y, por lo tanto, la densidad de los exoplanetas a partir de esos datos de observación, pero eso es todo.

Los exoplanetas podrían albergar vida entre la oscuridad y la luz

Sin embargo, existe un truco para obtener más detalles de los planetas que no se van a revelar: si los mundos alienígenas, de los que los investigadores han podido identificar más de 5.600 y el número sigue aumentando, poseen una envoltura de gas, una pequeña porción de la luz de las estrellas penetra esta atmósfera en su camino hacia la Tierra. Necesariamente, las moléculas presentes en la envoltura depositan sus firmas químicas en la luz de las estrellas. Aunque estos rastros son tenues, los astrónomos de hoy pueden detectarlos con telescopios adecuadamente potentes.

Exoplanetas, una oportunidad

“Si queremos saber más que el tamaño, la masa y la densidad, si queremos saber algo sobre la química o la biología de los exoplanetas, entonces la atmósfera es nuestra ventana a eso”, dice Kevin Heng. Aunque “profesor titular de astrofísica teórica” es lo que dice en su tarjeta de presentación, investigador de la atmósfera de exoplanetas sería una designación más precisa.

Heng, que nació en Singapur y ha estado enseñando e investigando en LMU desde agosto de 2022, busca aprender más sobre los exoplanetas a través de las firmas de la envoltura de gas: ¿cómo se formaron? ¿Qué condiciones existen allí? ¿Hay signos de actividad geológica, o incluso de alguna forma de biología? Y, justo en lo más alto de la lista: ¿estamos solos en el cosmos? “El estudio de las atmósferas exoplanetarias es quizás nuestra mejor oportunidad de descubrir vida extraterrestre en el universo”, dice Heng.

La luz es la clave: las moléculas dejan sus huellas en la atmósfera

Hace unos veinte años, los investigadores descubrieron por primera vez la atmósfera de un exoplaneta, en la que identificaron rastros de sodio, un elemento poco interesante para la biología y la geología. Dos décadas después, el panorama científico ha cambiado. En particular, el lanzamiento del telescopio espacial James Webb en diciembre de 2021, que observa el universo a mayor profundidad y con mayor resolución que todos los anteriores, ha dado un impulso al estudio de las atmósferas exoplanetarias. Encontrar evidencias de agua, oxígeno, metano y dióxido de carbono se ha convertido en algo habitual. Y la luz es la clave de estos descubrimientos.

La espectroscopia es el nombre de la técnica que permite a los científicos investigar las atmósferas planetarias a muchos años luz de distancia: cada molécula de la envoltura de gas planetario absorbe la luz de la estrella de origen en longitudes de onda muy específicas. Si esta luz estelar es captada por telescopios terrestres y dividida en sus colores constituyentes como un arco iris (espectro es el término que utilizan los físicos), todas estas líneas oscuras de absorción se vuelven visibles. “Cada molécula puede producir una plétora de estas líneas”, dice Kevin Heng. “Si los datos de observación son lo suficientemente buenos, esto es como una huella dactilar única”.

Hasta aquí la técnica. El arte o, en palabras de Heng, el desafío científico, consiste en tomar este revoltijo de líneas y sacar las conclusiones correctas sobre las condiciones geológicas, químicas y biológicas de los exoplanetas. Esto no es nada fácil, ya que muchos rastros, muchas huellas dactilares, pueden ser engañosos. El oxígeno, por ejemplo, es un claro indicador de vida cuando se encuentra en la Tierra. Sin embargo, en un exoplaneta rico en agua expuesto a la dura radiación ultravioleta de su estrella natal, podrían estar en juego otras dinámicas: primero, la luz ultravioleta divide el agua en hidrógeno y oxígeno. La atracción gravitatoria del planeta no es lo suficientemente fuerte como para retener el hidrógeno ligero, que escapa al espacio. Esto deja atrás una gran cantidad de oxígeno, cuya huella es claramente reconocible en el espectro. Y, sin embargo, esto no tiene nada que ver con los compuestos orgánicos, y mucho menos con la vida. Lo mismo ocurre con el dióxido de carbono: en la Tierra, el gas suele tener un origen biológico; en un exoplaneta, puede ser simplemente el producto de la actividad volcánica.

El estudio de las atmósferas exoplanetarias es quizás nuestra mejor oportunidad de descubrir vida extraterrestre en el universo.

Kevin Heng

El investigador como rastreador

Kevin Heng quiere desvelar este tipo de pistas falsas con su trabajo. Quiere saber qué patrones, qué rastros moleculares deben estar presentes en la luz de las estrellas para comprender la geoquímica exoplanetaria o para poder hablar con certeza de su origen biológico. “En el estado actual de la investigación en nuestro campo, es importante medir tantas moléculas como sea posible”, afirma el científico de 45 años. “Es un poco como una búsqueda del tesoro en la que se descubre más tarde el valor del tesoro y lo que revela”.

Heng no es el tipo de físico teórico que uno puede encontrar en libros de texto llenos de clichés. No es alguien que se sienta en un escritorio de madera con lápiz y papel durante semanas enteras, resolviendo una ecuación tras otra. Tampoco es alguien que se pasa todo el día mirando la pared de azulejos del fondo de su oficina de los años 70 en el Observatorio Universitario de Múnich, reflexionando sobre problemas. Heng es demasiado activo y comprometido para eso. Y su campo de investigación, que forma parte del ORIGINS Excellence Cluster en Múnich por una buena razón, es demasiado amplio e interdisciplinario para un aislamiento tan grande.

Queremos medir tantas moléculas como sea posible. Es un poco como una búsqueda del tesoro en la que más tarde descubres lo valioso que es el tesoro y lo que revela.

Kevin Heng

¿Pueden nuestros ciclos terrestres aplicarse a planetas distantes?

Naturalmente, el trabajo teórico en el sentido clásico también forma parte de la práctica diaria de Heng. Por ejemplo, se plantea la cuestión clave de si las teorías desarrolladas para la Tierra y nuestro sistema solar pueden aplicarse a exoplanetas distantes y de qué manera. Otro ejemplo, el ciclo del carbono terrestre determina cómo se desarrolla el contenido de dióxido de carbono en la atmósfera terrestre a lo largo de escalas de tiempo largas. Pero, ¿se produce este tipo de ciclo también en los exoplanetas? "Esto aún está lejos de estar claro", dice Heng. "Sin embargo, la cuestión de hasta qué punto se pueden aplicar universalmente los principios físicos y químicos fundamentales es crucial para nuestra comprensión de los exoplanetas".

Heng ha buscado específicamente geoquímicos para trabajar con ellos en el laboratorio. Una de las preguntas clave es: ¿qué gases se liberan cuando se funden trozos de roca de diversas composiciones? ¿Y cómo encaja esto con las huellas dactilares de exoplanetas rocosos que se pueden captar con telescopios? Ha diseñado experimentos para proporcionar información más precisa y planea incorporar sus hallazgos en teorías y simulaciones.

Cuando Heng comenzó a investigar exoplanetas hace diez años, estando todavía en la Universidad de Berna, uno de sus primeros enfoques consistió en aplicar simulaciones climáticas que se habían desarrollado para la Tierra a planetas distantes. Y la realización de tales cálculos en el ordenador sigue siendo un aspecto importante del trabajo de Heng en la actualidad. Por ejemplo, él y su equipo en su cátedra de Múnich trabajan en formas de adaptar mejor los modelos atmosféricos y climáticos a las mediciones más recientes.

Trabajar con conjuntos de datos reales

En sus investigaciones, los investigadores también utilizan datos de observación reales. Por ejemplo, una docena de conjuntos de datos del telescopio espacial James Webb ya han llegado a la cátedra de Heng en Múnich, donde se analizan, se toman huellas espectrales y se comparan los resultados con modelos teóricos.

Heng soñaba con ser astronauta cuando era niño, por lo que es lógico que participe en misiones espaciales. No como fabricante de instrumentos (después de todo, es un teórico), sino como proveedor de ideas. En el caso del telescopio espacial europeo Cheops, diseñado para buscar exoplanetas y cuya sede científica está en Berna, Heng participó en el desarrollo del programa de observación. Y cuando Europa lance su próximo cazador de exoplanetas, Ariel, a finales de la década, volverá a participar. Fue por iniciativa suya que la LMU se uniera al consorcio científico para la misión espacial. Heng afirma: "Queremos que la LMU sea el lugar en Alemania donde se establecerán los especialistas que evalúen los datos de Ariel".

Astrónomos que registran los espectros de los exoplanetas, científicos de datos que analizan las huellas dactilares, geólogos, investigadores del clima y químicos que crean y perfeccionan modelos: el trabajo en la cátedra ha ido mucho más allá de la astrofísica clásica. Para Heng, cuya tesis doctoral sobre los restos de estrellas en explosión todavía se ajustaba a un esquema muy tradicional, esta interdisciplinariedad se ha convertido en algo natural. Cuando comenzó a estudiar los exoplanetas, recuerda, primero tuvo que leer sobre investigación climática y atmosférica. Y en Múnich, contrató de inmediato a un geoquímico. Ahora los dos se enseñan mutuamente los detalles de sus respectivas materias y el lenguaje correspondiente.

La búsqueda de vida es, por supuesto, el objetivo final, pero será la próxima generación de telescopios y de cientificos los que puedan responder a esta pregunta.

Kevin Heng

Estar abierto al conocimiento de otros campos

“Para entender las atmósferas de los exoplanetas no basta con ser físico”, afirma Heng. “Hay que estar abierto a los conocimientos de diferentes campos y encontrar la manera de hablar con gente de esas disciplinas. Necesité años para establecer esos contactos”. Su anterior trabajo como director del Centro de Espacio y Habitabilidad de Berna, un centro de investigación interdisciplinario dedicado a la búsqueda de vida en el universo, le ayudó a ello.

La principal conclusión de Heng es que no basta con reunir en una sala a los mejores investigadores de distintas disciplinas, por fantásticos que sean sus CV. “Lo que ocurre entonces, según mi experiencia, es prácticamente nada”. Lo que se necesita, en cambio, observa Heng, son las personas adecuadas con las personalidades adecuadas: abiertas de mente, comunicativas, capaces de mantener debates que vayan más allá de los límites de su propio campo de especialización. “No se pueden descubrir estas cosas en el CV de alguien, por desgracia; siempre se necesita algo de ensayo y error”.

Todo esto –la interdisciplinariedad y el entendimiento mutuo– será aún más importante si algún día se intensifica la búsqueda de vida en exoplanetas y entra en juego la biología. Al fin y al cabo, todavía no tenemos una idea precisa de cómo podría ser la vida en otros mundos. ¿Como la vida en la Tierra? ¿O completamente diferente? Y en este último caso, ¿qué huellas deberíamos buscar realmente?

“La búsqueda de vida es, por supuesto, el objetivo final”, afirma Heng, aunque advierte de que no hay que tener expectativas poco razonables. “Será la próxima generación de telescopios y de científicos los que puedan responder a esta pregunta. Lo importante es que ahora creemos las bases para alcanzar este objetivo”.

El Prof. Dr. Kevin Heng es catedrático de Astrofísica Teórica de Planetas Extrasolares en la LMU y miembro del ORIGINS Excellence Cluster. Nacido en Singapur en 1978, estudió astrofísica en Colorado antes de trasladarse al legendario Instituto de Estudios Avanzados de la Universidad de Princeton. Después de eso, fue director del Centro de Espacio y Habitabilidad de la Universidad de Berna hasta que llegó a la Universidad Ludwig-Maximilians de Múnich (LMU) en 2022.

Foto: Oliver Jung / Universidad de Ludwigshafen.

(Este artículo se publicó originalmente en la revista LMU EINSICHTEN. Se reproduce con autorización).