Cómo se forma un planeta importa tanto como dónde para que tenga vida

Las perspectivas de vida en un determinado planeta dependen no sólo de dónde se forme sino también de cómo, según un estudio científico de la Universidad de Rice.

Los planetas como la Tierra que orbitan dentro de la zona llamada Ricitos de Oro del sistema solar, con condiciones que favorecen el agua líquida y una atmósfera rica, tienen más probabilidades de albergar vida. Pero resulta que la forma en que se formó ese planeta también determina si capturó y retuvo ciertos elementos y compuestos volátiles, como el nitrógeno, el carbono y el agua, que dan lugar a la vida.

En su estudio, Damanveer Grewal, estudiante de posgrado de Rice y autor principal, y el profesor Rajdeep Dasgupta demuestran que la competencia entre el tiempo que tarda el material en acumularse en un protoplaneta y el tiempo que el protoplaneta tarda en separarse en sus distintas capas -un núcleo metálico, un manto de silicato y una envoltura atmosférica en un proceso llamado diferenciación planetaria- es fundamental para determinar qué elementos volátiles conserva el planeta rocoso.

Utilizando el nitrógeno como indicador de elementos volátiles, los investigadores demostraron que la mayor parte del nitrógeno se escapa a la atmósfera de los protoplanetas durante la diferenciación. Posteriormente, este nitrógeno se pierde en el espacio a medida que el protoplaneta se enfría o colisiona con otros protoplanetas o cuerpos cósmicos durante la siguiente etapa de su crecimiento.

Este proceso agota el nitrógeno de la atmósfera y el manto de los planetas rocosos, pero si el núcleo metálico retiene suficiente, podría seguir siendo una fuente importante de nitrógeno durante la formación de planetas similares a la Tierra.

El laboratorio de alta presión de Dasgupta en Rice capturó la diferenciación protoplanetaria en acción para mostrar la afinidad del nitrógeno hacia los núcleos metálicos.

"Simulamos condiciones de alta presión y temperatura sometiendo una mezcla de polvos de metal y silicato con nitrógeno a casi 30.000 veces la presión atmosférica y calentándolos más allá de sus puntos de fusión -explica Grewal en un comunicado-. Las pequeñas manchas metálicas incrustadas en los vidrios de silicato de las muestras recuperadas eran los respectivos análogos de los núcleos y mantos protoplanetarios".

Utilizando estos datos experimentales, los investigadores modelaron las relaciones termodinámicas para mostrar cómo se distribuye el nitrógeno entre la atmósfera, el silicato fundido y el núcleo.

"Nos dimos cuenta de que el fraccionamiento del nitrógeno entre todos estos depósitos es muy sensible al tamaño del cuerpo -añade Grewal-. Siguiendo esta idea, pudimos calcular cómo se habría separado el nitrógeno entre los distintos reservorios de los cuerpos protoplanetarios a lo largo del tiempo para construir finalmente un planeta habitable como la Tierra".

Los geoquímicos de la Universidad de Rice analizaron muestras experimentales de metales y silicatos coexistentes para aprender cómo interactuarían químicamente cuando se les somete a presiones y temperaturas similares a las experimentadas por la diferenciación de protoplanetas, utilizando el nitrógeno como indicador. Crédito: Amrita P. Vyas / Rice University

Su teoría sugiere que los materiales de alimentación de la Tierra crecieron rápidamente hasta alcanzar el tamaño de embriones planetarios del tamaño de la Luna y Marte antes de que completaran el proceso de diferenciación en la conocida disposición de metal-silicato-vapor.

En general, estiman que los embriones se formaron entre 1 y 2 millones de años después del inicio del sistema solar, mucho antes del tiempo que tardaron en diferenciarse completamente. Si la tasa de diferenciación fue más rápida que la tasa de acumulación de estos embriones, los planetas rocosos que se formaron a partir de ellos no podrían haber acumulado suficiente nitrógeno, y probablemente otros volátiles, críticos para desarrollar las condiciones que sustentan la vida.

"Nuestros cálculos muestran que la formación de un planeta del tamaño de la Tierra a través de embriones planetarios que crecieron con extrema rapidez antes de sufrir la diferenciación metal-silicato establece una vía única para satisfacer el presupuesto de nitrógeno de la Tierra", apunta Dasgupta, investigador principal de CLEVER Planets, un proyecto de colaboración financiado por la NASA que explora cómo los elementos esenciales para la vida podrían haberse reunido en planetas rocosos de nuestro sistema solar o en exoplanetas rocosos distantes.

Se pueden formar planetas similares a la Tierra que contienen nitrógeno si su materia prima crece rápidamente alrededor de embriones planetarios del tamaño de la Luna y Marte antes de separarse en atmósfera núcleo-manto-corteza, según científicos de la Universidad de Rice./ Crédito: Amrita P. Vyas / Rice University

"Este trabajo demuestra que el nitrógeno tiene una afinidad mucho mayor hacia el líquido metálico que forma el núcleo de lo que se pensaba", asegura.

El estudio es continuación de trabajos anteriores, uno que muestra cómo el impacto de un cuerpo formador de lunas podría haber dado a la Tierra gran parte de su contenido volátil, y otro que sugiere que el planeta obtuvo más de su nitrógeno de fuentes locales del sistema solar de lo que se creía.

Grewal resalta que han demostrado que "los protoplanetas que crecen en las regiones interiores y exteriores del sistema solar acumulan nitrógeno, y que la Tierra se abastece de nitrógeno al acumular protoplanetas de ambas regiones. Sin embargo, se desconocía cómo se estableció el presupuesto de nitrógeno de la Tierra".

"Estamos haciendo una gran reivindicación que irá más allá del tema del origen de los elementos volátiles y el nitrógeno, y tendrá un impacto en una sección transversal de la comunidad científica interesada en la formación y el crecimiento de los planetas", concluye Dasgupta.