1 2 Manuel Riveira Porta VIDA EXTRATERRESTRE Curso de Astrobiología Grupo de Astrobiología Agrupación Astronómica de Madrid Marzo de 2015 Portada: Vía Láctea Fotografía de Antonio Sánchez Agrupación Astronómica de Madrid 3 4 ÍNDICE Prólogo 9 1. Introducción 11 2. Desde el Big Bang hasta los elementos químicos 15 Origen del universo 15 Formación de las galaxias 16 Formación de las estrellas 18 Objeción de Maxwell 22 Estrellas: fábricas de los elementos químicos 23 Supernovas: formación de los elementos más pesados que el hierro 25 Nubes moleculares 25 Origen de los elementos químicos: resumen 26 3. Formación de los sistemas planetarios 29 Estructura de los discos protoplanetarios 30 Formación y evolución de los gigantes gaseosos 31 Formación de los planetas rocosos o terrestres 32 Metalicidad 33 Migraciones planetarias 34 Evidencias de las migraciones planetarias 35 Particularidades del Sistema Solar 36 Bombardeo Intenso Tardío (BIT) 37 Dataciones del Sistema Solar 38 Futuro del Sistema Solar 38 4. La Tierra: planeta “vivo” 43 ¿Cómo transcurre el tiempo? 43 Edades de la Tierra 44 La Tierra: su lugar en el Sistema Solar 46 Tierra “sólida”. Estructura dinámica 46 Temperatura interior de la Tierra 46 Capas composicionales 47 Campo magnético terrestre 49 Tectónica de placas 50 Ciclo del carbono 53 Ciclo carbonatos-silicatos 54 Efecto invernadero 54 Regulación de la temperatura del planeta 56 Historia evolutiva de la Tierra 56 Tierra sólida 57 Formaciones de hierro bandeado (BIF) 55 Súpercontinentes 59 5 Formación y fragmentación de Pangea 60 Grandes glaciaciones 61 Atmósfera 62 Historia del oxígeno 63 Atmósfera actual, capas 65 Funciones biológicas de la atmósfera 66 Hidrosfera 66 Origen del agua en la Tierra 67 5. Vida en la Tierra: origen y evolución 71 Conceptos básicos 72 Átomos y moléculas de los seres vivos 73 Ácidos nucleícos 74 Proteínas 75 Glúcidos o azúcares 76 Lípidos 76 Célula 77 Organismos unicelulares y pluricelulares 78 Síntesis proteica 79 Funciones básicas de los seres vivos 81 Origen de la vida 83 Generación espontánea (Aristóteles-Pasteur) 83 Hipótesis sobre el origen de la vida 84 Alexander Oparin y Haldane 85 Experimento de Miller y Urey 90 Restricciones geológicas al modelo clásico del origen de la vida 90 Entonces, ¿qué sucedió? 91 Origen de la vida en el fondo del mar, en las chimeneas hidrotermales 91 Panspermia: origen extraterrestre de la vida 92 Primer replicante: “El mundo del ARN” 94 Evolución: teoría y pruebas 95 Herencia de los caracteres adquiridos 96 Evolución de las especies: Charles Darwin y Alfred Wallace 96 Contribuciones de C. Darwin y A. Wallace 97 Importancia de la selección natural 97 Mendel y la genética 98 Mutaciones: visión moderna de la evolución 99 Reproducción 100 Especiación y tasa de evolución 101 Evolución divergente, convergente y paralela 102 Pruebas de la evolución 102 Argumentos de un único antepasado común “LUCA” 103 Evolución de la vida en la Tierra 104 El Hádico (4.600 a 4.000 Ma AP) 104 6 Arcaico (4.000 a 2.500 Ma AP) 105 Proterozoico (2.500 a 542 Ma AP) 106 Organismos eucariontes 107 Primeros animales pluricelulares 108 Era paleozoica 109 Explosión cámbrica 109 Fauna ediacarana 109 Yacimiento chino de Chengjiang 110 Fauna de Burgess Shale 110 Las plantas conquistan la tierra firme 101 Anfibios 111 Vida en la era Mesozoica 111 Amniotas 111 Extinciones masivas 112 Clasificación de los seres vivos. Árbol de la vida 114 Extremófilos. Nuevos hábitats 115 6. Requisitos para la habitabilidad extraterrestre 121 Zona estelar habitable (ZH) 122 Estrella anfitriona adecuada 123 Luminosidad duradera 124 Luminosidad estable 125 Estrellas variables 126 Sistemas estelares unitarios, binarios y múltiples 126 Planeta telúrico y masivo 127 Órbita y rotación adecuadas 128 Excentricidad orbital 128 Inclinación del eje de rotación 128 Velocidad de rotación 129 Movimiento de precesión 129 Satélite grande 129 Planeta exterior grande 130 Zona Habitable galáctica 130 “Tierra rara” (RARE EARTH) 132 7. Exoplanetas: métodos de detección, resultados 135 Procesos y medios de detección de exoplanetas. Resultados 135 Método de la sincronización púlsar (SPU) 136 Método de la detección directa (DD) 137 Método de la velocidad radial (VR) 138 Método de la microlentes gravitacionales (µL) 142 Método de tránsitos (TR) 142 Valoración adicional con los resultados de la sonda Kepler (método TR) 146 Resultados globales (30/06/2014) 147 7 Evolución de los descubrimientos de exoplanetas 148 Sistemas planetarios 148 Distribución de los planetas masivos 148 Distribución de los planetas poco masivos 149 Evolución de las masas mínimas detectadas 149 Excentricidades orbitales 150 Exoplanetas candidatos a habitables 150 8. Habitabilidad extraterrestre 155 Vida en el Sistema solar (aparte de la Tierra) 155 Sistema solar interior 155 Venus 156 Marte 157 Planeta Tierra vs Venus y Marte 159 Vida en las lunas de los gigantes gaseosos 145 Europa (satélite de Júpiter) 160 Ganímedes (satélite de Júpiter) 160 Calisto (satélite de Júpiter) 161 Titán (satélite de Saturno) 161 Encélado (satélite de Saturno) 161 Tritón (satélite de Neptuno) 162 Vida en el Universo (de momento la Vía Láctea) 162 Habitabilidad de la Vía Láctea 163 Estimación de la “habitabilidad máxima de la Vía Láctea” 164 Vida compleja inteligente (tecnológica) 165 9. Misiones futuras: biotrazadores 167 ¿Es posible aprender sobre la Tierra observando otros planetas? 167 ¿Es posible la detección de vida en la Tierra por un observador externo? 167 ¿Es posible detectar clorofila en otros exoplanetas? 168 “Señales” de vida a buscar en otro mundos, biomarcadores 169 Futuras misiones de observación espacial 170 ANEXOS: A. Elementos químicos 173 B. Partículas elementales 175 C. Desde el Big-Bang al hidrógeno y el helio 180 D. Cuerpo negro: evolución de la energía en función de la temperatura 190 E. Métodos de datación relativa y absoluta 191 F. Detección de las capas de la Tierra y sus espesores 194 Abreviaturas 196 Bibliografía 197 8 ■ Prólogo ¿Estamos en el momento adecuado para valorar la existencia de vida extraterrestre? Con independencia de los pensamientos individuales, sabemos que la existencia de vida en otros mundos es un hecho verificable, algo en lo que el mundo científico, y muy especialmente las agencias espaciales, vienen trabajando intensamente desde el último tercio del pasado S. XX. Hasta la fecha no se ha detectado ninguna evidencia, ni siquiera indicios, de vida exterior y posiblemente tengamos que esperar décadas hasta que se encuentre alguna pista, algún biomarcador. No es fácil definir la vida, ni cómo pudo surgir en nuestro planeta, lo que dificulta enormemente la búsqueda en otras partes, pero es evidente que en la Tierra sí ha surgido, evolucionado y se ha adaptado a todos sus ambientes, desde las profundidades de la corteza terrestre (hasta 4 km, de momento), hasta la estratosfera. Como manifiestan muchos científicos y pensadores: lo sucedido en nuestro planeta también debe de poder ocurrir en otras partes, siempre y cuando concurran las mismas o similares circunstancias. Si esto es así, parece lógica la idea de comenzar la búsqueda de objetos candidatos a habitables utilizando nuestro planeta como modelo: pues bien, esto es lo que se viene haciendo desde 1995, año en que se descubrió el primer planeta en torno a otra estrella. Desde entonces no se ha escatimado en medios técnicos ni en esfuerzos, que han sido premiados con prometedores resultados (■Capítulo 7): ¡hasta la fecha (junio 2014) ya se han descubierto 1800 planetas orbitando 1116 estrellas! Sin embargo, ninguno de estos planetas es el “gemelo” de la Tierra: generalmente son muy masivos (tipo Júpiter), se encuentran muy cerca de su estrella y muchos de ellos presenta órbitas muy excéntricas; mientras que en el Sistema Solar (SS) tenemos cuatro planetas “tipo terrestre” a distancias “razonables” del Sol y sus órbitas son casi circulares (excepto Mercurio). Sabemos que los resultados están sometidos a un sesgo observacional (■Capítulo 7), debido a que los métodos y los medios utilizados (disponibles) son muy sensibles al tamaño del planeta, al tamaño de la estrella y a la distancia entre ambos: la sensibilidad aumenta para planetas masivos, estrellas pequeñas y con la cercanía entre ambos. Esto justifica en parte la tipología de los exoplanetas [■0-1] encontrados. No obstante, estos “sorpresivos” descubrimientos nos proporcionan una importante enseñanza: nuestro SS deja de ser el modelo universal de sistemas planetarios, pasando a ser uno entre otros muchos (■Capítulo 7). Es incuestionable que la evolución y el progreso de los medios: grandes telescopios terrestres con espejos de 10 m de diámetro, o situados en el espacio el espacio para evitar los efectos negativos de la atmósfera; perfeccionamiento de los espectrógrafos… han conseguido detectar planetas de tamaños cada vez más parecidos al terrestre. La lógica estadística nos permite extrapolar y ser optimistas acerca de la existencia de sistemas planetarios como el nuestro, pero de momento toca esperar, en torno a una década (■Capítulo 9), hasta que podamos disponer de las nuevas generaciones de medios capaces de detectar a un planeta como el nuestro (0,5 a 2 masas terrestres), en torno a una estrella parecida al Sol (tipos F, G o K), y a la distancia adecuada, a no ser que alguna idea genial, que suele darse en el mundo científico, nos sorprenda con un hallazgo inesperado utilizando los medios actuales. 9 La abundante información aportada por los descubrimientos realizados hasta la fecha, y ante el parón previsto para la disponibilidad