Los planetas contienen más agua de lo que se pensaba

Investigadores de la Escuela Politécnica Federal de Zúrich (Suiza) y la Universidad de Princeton (EE UU) han utilizado cálculos de modelos basados en leyes fundamentales de la física para analizar la distribución del agua entre los silicatos y el núcleo solido de hierro en exoplanetas.

La Tierra tiene un núcleo de hierro rodeado por un manto de roca madre de silicato y agua en su superficie (océanos). Hasta hoy, la ciencia ha utilizado este modelo simple de planeta para investigar los exoplanetas, que orbitan alrededor de otra estrella fuera de nuestro sistema solar.

Los océanos magmáticos diluyen bien el agua a diferencia del dióxido de carbono, que se desgasta rápidamente y se eleva a la atmósfera

Sin embargo, “durante los últimos años hemos empezado a darnos cuenta de que los planetas son más complejos de lo que pensábamos”, afirma Caroline Dorn, autora principal del estudio y catedrática de Exoplanetas en Zúrich.

La mayoría de los exoplanetas conocidos se encuentran cerca de sus estrellas, lo que implica que son mundos calientes con superficies cubiertas de océanos de magma fundido que aún no se han enfriado para formar un manto sólido rocoso de silicatos, como ocurre en la Tierra.

Estos océanos de magma diluyen bien el agua a diferencia del dióxido de carbono, que se desgasta rápidamente y se eleva a la atmósfera. Este nuevo estudio, publicado en la revista Nature Astronomy, examina la distribución del agua disuelta entre los silicatos y el solido núcleo de hierro.

Océanos de magma con hierro y agua

El proceso de formación del núcleo ferroso es lento, puesto que “una gran parte del hierro que formará el núcleo del exoplaneta está inicialmente contenida en el magma caliente en forma de gotitas”, señala la investigadora.

El agua secuestrada en este océano se combina con estas gotitas de hierro y se hunde con ellas hasta el núcleo. “Las gotitas de hierro se comportan como un ascensor que baja el agua hacia el núcleo”, explica Dorn.

Cuanto más grande es el planeta y mayor es su masa, más tiende el agua a irse con las gotitas de hierro e integrarse en el núcleo

Caroline Dorn (ETH Zurich)

Hasta ahora solo se sabía que este comportamiento se producía a presiones moderadas, como las que existen en la Tierra. No se sabía qué ocurría en el caso de planetas más grandes con condiciones interiores de mayor presión. “Este es uno de los resultados clave de nuestro estudio”, asegura la científica.

“Cuánto más grande es el planeta y mayor es su masa, más tiende el agua a irse con las gotitas de hierro e integrarse en el núcleo. En determinadas circunstancias, el hierro puede absorber hasta 70 veces más agua que los silicatos”, indica Dorn.

“La cantidad de agua almacenada en el núcleo permanecerá allí durante toda la vida de un planeta, mientras que el agua del manto puede desgasificarse durante el enfriamiento del océano magmático (con el que un planeta iniciará su evolución)”, explica a SINC la investigadora.

El agua almacenada en el núcleo permanecerá allí durante toda la vida de un planeta, mientras que el agua del manto puede desgasificarse durante el enfriamiento del océano magmático

Caroline Dorn (ETH Zurich)

“Además, debido a la inmensa presión en el núcleo, el agua no se presenta en forma de moléculas de H2O, sino como hidrógeno y oxígeno ligados a metales. En cambio, el agua acumulada en el manto mantiene su forma molecular como H2O, con enlaces de valencia”, añade.

Más agua de la estimada en el subsuelo

Este estudio tuvo su origen en las investigaciones sobre el contenido de agua de la Tierra que hace cuatro años arrojaron un resultado sorprendente: los océanos de la superficie terrestre solo contienen una pequeña fracción del agua total de nuestro planeta.

Más del 80 % del contenido de agua de la Tierra podría estar oculto en su interior. Así lo demuestran simulaciones que calculan cómo se comporta el agua en condiciones como las que prevalecían cuando la Tierra era joven. Estos resultados coinciden, además, con las mediciones sismológicas.

“Los datos sismológicos muestran un déficit de densidad y un exceso en la velocidad sísmica para el núcleo de la Tierra, lo que concuerda con tener O y H en aleaciones ligeras en el núcleo”, señala Dorn.

Más del 80 % del contenido de agua de la Tierra podría estar oculto en su interior

El nuevo hallazgo sobre la distribución del agua en los planetas tiene consecuencias dramáticas para la interpretación de los datos de las observaciones astronómicas.

Con sus telescopios en el espacio y en la Tierra, los astrónomos pueden medir, en determinadas condiciones, el peso y el tamaño de un exoplaneta. Con estos cálculos elaboran diagramas masa-radio que permiten sacar conclusiones sobre la composición del planeta.

Sin embargo, estas observaciones son incapaces de verificar si el agua está ligada en profundidad o en la superficie de los planetas. Al ignorar la solubilidad y la distribución del agua, su volumen puede subestimarse drásticamente hasta diez veces. “Los planetas son mucho más ricos en agua de lo que se creía”, sostiene Dorn.

“Para examinar la composición del interior de un exoplaneta son necesarios experimentos de laboratorio y cálculos de los primeros principios de la física. Solo modelos precisos desarrollados a partir de estos conocimientos de la física mineral nos darán predicciones exactas sobre el subsuelo de los exoplanetas”, indica la investigadora.

Entender la evolución

La distribución del agua es también importante si queremos entender cómo se forman y desarrollan los planetas. “Si encontramos agua en la atmósfera de un planeta, probablemente haya mucha más en su interior”, explica la científica.

Esto es lo que pretende descubrir el telescopio espacial James Webb, que desde hace dos años envía datos desde el espacio a la Tierra. Es capaz de rastrear las moléculas de la atmósfera de los exoplanetas.

Queremos vincular la señal atmosférica con el interior más profundo de los planetas

Caroline Dorn (ETH Zurich)

Los nuevos datos del exoplaneta llamado TOI-270d son especialmente interesantes. “Allí se han recogido pruebas de la existencia real de tales interacciones entre el océano de magma de su interior y la atmósfera”, afirma la investigadora, que participó en la publicación del descubrimiento de este cuerpo celeste.

“Queremos determinar qué implican las mediciones de espectroscopia con el telescopio espacial James Webb (JWST) para vincular la señal atmosférica con el interior profundo”, añade.

La investigadora está también interesada en explorar el exoplaneta K2-18b, que recientemente atrajo la atención por la alta probabilidad de que pueda albergar vida.

El agua es vida

El agua es una de las condiciones previas para el desarrollo de la vida. Durante mucho tiempo se ha especulado sobre la posible habitabilidad de Supertierras con abundancia de agua, es decir, planetas con una masa varias veces superior a la de la Tierra y con una superficie cubierta por un océano profundo y global.

Los cálculos sugirieron entonces que demasiada agua podría ser hostil para la vida. El argumento era que en estos mundos de agua una capa de hielo exótico a alta presión impediría el intercambio de sustancias vitales en la interfaz entre el océano y el manto del planeta.

El nuevo estudio sugiere que incluso los planetas con alta cantidad de agua podrían desarrollar condiciones habitables similares a las de la Tierra

El nuevo estudio llega ahora a una conclusión diferente: es probable que los planetas con capas de agua profundas sean una rareza, ya que la mayor parte del agua de las Supertierras no se encuentra en la superficie, como se suponía hasta ahora, sino atrapada en el núcleo.

Este hallazgo lleva a los científicos a suponer que incluso los planetas con un contenido de agua relativamente alto podrían tener el potencial de desarrollar condiciones de habitabilidad similares a las de la Tierra.

Referencia:

Caroline Dorn et al. “The interior as the dominant water reservoir in super-Earths and sub-Neptunes”. Nature Astronomy, 2024.