Un planeta apto para la vida
Se formaron muchos planetas, pero uno era especialmente adecuado para la vida. La Tierra reúne todas las condiciones especiales que discutimos a continuación.
Una galaxia anfitriona rica en polvo
Hacer las moléculas complejas de la vida requiere la mayoría de los elementos. Los elementos pesados se encuentran en el polvo de estrellas. Algunas galaxias tienen muy poco polvo. La vida requiere una galaxia polvorienta.
Una ubicación galáctica entre nuevas estrellas
Los centros galácticos suelen tener estrellas viejas, calientes, de color blanco azulado. Debemos buscar en el borde galáctico, donde hay nuevas estrellas amarillas que arden a una temperatura más baja. Estas estrellas incorporan núcleos de carbono y oxígeno para catalizar sus reacciones nucleares.
Una estrella madre solitaria
La estrella madre debe ser una estrella soltera. El planeta que alberga la vida debe tener una iluminación y un calentamiento casi uniformes. Las estrellas dobles, triples o múltiples harían que las órbitas de los planetas fueran demasiado complicadas. Las órbitas complicadas, con el planeta a veces cerca de una estrella, a veces cerca de otra, a veces lejos de cualquier estrella, no son suficientes. Solamente una sola estrella puede tener planetas con órbitas simples.
Una estrella del tamaño adecuado
La luminosidad de una estrella depende de su tamaño: cuanto más grande, más brillante.
Una pequeña estrella madre tiene una salida de luz muy baja y un planeta tiene que orbitar muy cerca de la estrella para obtener suficiente calor. La estrella ocuparía gran parte del cielo diurno. Difícilmente habría sombras. Los relojes de sol no funcionarían. Pero ese no es el único problema. Un planeta que está demasiado cerca de su estrella madre quedará bloqueado por la marea, sincronizando su rotación con sus revoluciones orbitales. La Luna gira una sola vez en su órbita alrededor de la Tierra. Mercurio, el planeta más cercano al Sol, gira tres veces cada dos órbitas. Venus, el planeta entre Mercurio y la Tierra, realiza rotaciones completas muy lentamente. El enfriamiento y calentamiento de la noche y el día en un planeta bloqueado por mareas es tan lento que hay grandes cambios de temperatura. Todas las noches la mayor parte del agua se congela y todos los días la mayor parte del agua hierve. Casi toda la vida tendría que migrar diariamente alrededor del planeta, manteniéndose cerca del terminador del amanecer o el atardecer. En la Tierra migran relativamente pocas especies y de ellas solo unas pocas migran distancias comparables al diámetro del planeta. Ninguno migra diariamente.
Una gran estrella madre tiene una luminosidad tremenda. La salida de luz de una gran estrella madre es muy grande, y el planeta debe orbitar muy lejos de la estrella para obtener la temperatura adecuada. La estrella parecería un punto de luz, mucho más pequeño que el disco de nuestro Sol. La estrella aún proporcionaría información. Serviría como una señal para el cronometraje. Sin embargo, el planeta podría no tener habitantes inteligentes para leer un reloj de sol. Las grandes estrellas queman su combustible muy rápidamente. La vida vegetal no tendría tiempo suficiente para oxigenar la atmósfera. No necesitamos buscar animales o vida más inteligente en ningún planeta que orbite alrededor de una gran estrella.
Una vez que las estrellas queman todo su hidrógeno, comienzan a colapsar y aumentar su temperatura. Si son lo suficientemente grandes, la temperatura sube hasta que pueden quemar helio. El helio produce un fuego nuclear mucho más caliente. Las capas exteriores de la estrella se expanden hacia afuera, tal vez engullendo a cualquier planeta que estuviera a la distancia adecuada durante la fase de combustión del hidrógeno. Ya sea que algunos planetas sean engullidos o no, el helio también se quema rápidamente, el fuego se apaga nuevamente y la estrella comienza a colapsar nuevamente, elevando la temperatura aún más. Si la estrella es solo un 40 por ciento más grande que el Sol, la temperatura sube a la temperatura de ignición de los 90 elementos restantes a la vez. La estrella se convierte en una supernova. La conflagración resultante destruye la estrella en unos pocos días. Ese sería el final si hubiera vida en cualquier planeta cercano.
Una estrella del color correcto
Hay estrellas de diferentes colores y temperaturas. Las estrellas van desde las más calientes, las estrellas de color blanco azulado, pasando por las estrellas amarillas intermedias hasta las estrellas gigantes rojas relativamente frías. La constelación de Orión contiene la gama de colores. Orión se puede ver como un cazador que porta una espada o daga que cuelga de su cinturón. La estrella en su hombro derecho, Alfa Orionis o Betelgeuse, es una estrella gigante roja, con una temperatura superficial de 3.000 kelvin o Celsius, 5.400º F. La estrella en su pie izquierdo, Beta Orionis o Rigel, es de color blanco azulado, con una temperatura superficial de 25.000 kelvin o Celsius, 45.000º F. Hay estrellas dos veces más calientes que Rigel, pero están demasiado lejos de la tierra para parecer brillantes y fácilmente reconocibles. Nuestro Sol, con una temperatura superficial de unos 6.000 kelvin o Celsius, 10.000º F, es intermedio.
Algunas personas llaman al Sol ordinario o incluso mediocre. Esto no es así.
Los cuatro gases necesarios para la vida son oxígeno, dióxido de carbono, vapor de agua y nitrógeno. Este último es necesario para el fertilizante de plantas y para ADN y los proteinas. Todos son transparentes en una banda de frecuencias llamada banda visible. La banda visible transmite los colores rojo y verde que necesita la fotosíntesis. Una estrella amarilla emite la mayor parte de su luz en el medio de la banda visible. Si la estrella fuera de cualquier otro color, la atmósfera del planeta bloquearía la mayor parte de la luz de la estrella. Un planeta podría estar a la distancia adecuada de una estrella de color blanco azulado o de una estrella roja para obtener la temperatura adecuada, pero la luz del día sería tenue en la superficie. Eso difícilmente sería útil para los seres inteligentes con visión. Si el planeta orbita alrededor de una estrella roja, no habrá suficiente luz azul y violeta para las tasas normales de fotosíntesis. Hay algo de fotosíntesis solo con luz roja, pero la falta de luz azul y violeta es un factor limitante. Si el planeta orbita alrededor de una estrella de color blanco azulado, habrá demasiada radiación ultravioleta. La intensa radiación ultravioleta destruye los complejos compuestos bioquímicos necesarios para la vida. La vida vegetal tiene que prosperar durante millones de años para oxigenar la atmósfera de un planeta. El oxígeno libre se disociará en ozono en la atmósfera superior bajo la acción de los rayos ultravioleta más enérgicos y dañinos de la estrella madre. La capa de ozono debe estar presente para proteger la vida en la superficie del planeta de estos rayos. Si la atmósfera del planeta no tiene oxígeno libre, no puede tener una capa de ozono en la atmósfera superior para proteger su superficie. Los dañinos rayos ultravioleta llegarían al suelo y evitarían que se formaran compuestos complejos como la clorofila.
No necesitamos buscar vida cerca de estrellas rojas o de estrellas de color blanco azulado. Las estrellas amarillas son especiales. Además, hay estrellas madre pequeñas y estrellas madre grandes. Nuestro Sol es una estrella madre de tamaño intermedio. ¿Es eso especial? ¡Sí! ¿Quién dice que nuestro Sol es mediocre? es muy especial ¿Somos simplemente afortunados, o eligió una inteligencia poderosa y benévola el Sol para nosotros?
Un sol brillante en un cielo oscuro
Las temperaturas habitables en la Tierra requieren un Sol brillante en un cielo oscuro. Ya hemos visto que la expansión del universo oscurece el cielo nocturno. La luz del sol gobierna el día porque viene de una sola dirección. Podemos usar el ángulo de la luz solar para determinar la hora del día. Cuando el cielo está lo suficientemente despejado como para permitir que el Sol proyecte una sombra, podemos obtener esta información de la luz del sol con un reloj de sol. Incluso cuando un cielo muy nublado borra todas las sombras, normalmente es posible determinar la posición del Sol con cierta precisión. Por lo tanto, el Sol sirve como un signo de la hora del día.
La misma disposición física, una fuente brillante en un cielo oscuro, hace que la luz del sol sea útil para impulsar motores térmicos. Un tipo muy importante de motor térmico son los animales, incluidas las personas. Examinaremos esta forma de interpretarnos en el siguiente capítulo sobre la termodinámica de la vida.
Órbitas circulares
La órbita del planeta anfitrión debe ser casi circular para evitar temperaturas extremas durante todo el año. Si la estrella tiene más de un planeta, las órbitas deben encajar ordenadamente para evitar colisiones. Todas las órbitas deben ser casi circulares. Muchos sistemas extrasolares tienen un gran planeta en una órbita altamente elíptica. Imagine a Júpiter en una órbita altamente elíptica que se superpone a la órbita de la Tierra. Correría por nuestro sistema solar como un toro en una tienda de porcelana. La Tierra tarde o temprano sufriría una colisión fatal que acabaría con toda la vida conocida.
Una corte de planetas
Una corte de planetas recolectará elementos que no se necesitan en abundancia en el planeta anfitrión, como el hidrógeno adicional que se encuentra en las atmósferas de Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno. Los planetas grandes deberían encontrarse al exterior, para usar su gravedad para interrumpir las órbitas de los cometas y asteroides excéntricos y defender los planetas interiores.
Un planeta casi esférico
El planeta debe ser casi esférico. De lo contrario, el planeta podría bloquearse por mareas, es decir, su rotación podría disminuir hasta que su día fuera comparable a su año. La Luna es elíptica, y un lado siempre mira hacia la Tierra. Esto hace que un día en la Luna dure un mes. Mercurio es elíptico como una pelota de fútbol y en su máxima aproximación al Sol, uno de sus extremos apunta hacia el Sol. Esto hace que el día de Mercurio sea igual a dos tercios de su año. La rotación más rápida de la Tierra proporciona un calentamiento más uniforme.
Inclinación orbital moderada
El planeta no debe estar tan inclinado que sus polos estén cerca del plano orbital, o el día en la mayor parte del planeta será el mismo que el año del planeta. Los polos norte y sur del planeta Urano apuntan alternativamente hacia el sol. Dado que Urano tarda 84 años en dar una vuelta alrededor del Sol, un ciclo de luz y oscuridad también dura 84 años. Por otro lado, se necesita cierta inclinación orbital para producir estaciones. El eje de giro de la Tierra está inclinado 23 grados con respecto a la vertical en relación con el plano orbital de la Tierra. Esto hace que la luz del sol del mediodía brille desde lo alto del cielo en un día de verano. Brilla desde abajo cerca del horizonte en invierno. La variación de temperatura que esto produce durante el año corresponde a importantes ciclos de renovación entre plantas y animales.
Un gran satélite
Preferiblemente el planeta tendrá un satélite de tamaño relativo apreciable. La Luna ayuda a defender la Tierra de los impactos al interrumpir la órbita de cualquier asteroide perdido que se acerque a la Tierra.
La Luna también estabiliza la inclinación orbital de la Tierra contra las perturbaciones de los otros planetas. Sin la Luna, la Tierra inclinaría periódicamente su eje tanto que sus polos apuntarían hacia el Sol, y el día sería igual al año. Toda la vida animal en la Tierra tendría que hacer una migración semestral de 10.000 millas o 16.000 kilómetros.
Un gran satélite hará que las mareas froten las plataformas continentales y aumente una interacción saludable entre la hidrosfera y la litosfera.
Los animales pueden usar el satélite para iluminarse por la noche. La vida inteligente puede usar el satélite para medir el paso del tiempo en unidades mayores que días y menores que años.
La temperatura adecuada
La órbita debe estar a la distancia correcta de la estrella madre. La distancia y el tipo de estrella determina el rango de temperatura. El agua debe ser líquida la mayor parte del tiempo para permitir una amplia variedad de reacciones químicas. Este es también el rango de temperatura adecuado para hacer largas cadenas de hidrocarburos.
La vieja idea de ciencia ficción de la vida a alta temperatura basada en cadenas de hidro-silicio no funciona. El silicio no forma ni de cerca la variedad de moléculas complejas que forma el carbono.
El tamaño adecuado para la atmósfera justa
El planeta habitable debe ser lo suficientemente grande para retener una atmósfera, pero no demasiado grande, o la atmósfera será demasiado espesa. El planeta debe ser lo suficientemente pequeño para dejar escapar el exceso de hidrógeno. El tamaño para retener una atmósfera está relacionado con la temperatura promedio.
Un núcleo fundido
El planeta debe tener un núcleo fundido conductor de electricidad para permitir corrientes que generen un campo magnético. Esto defiende al planeta de esos rayos cósmicos que consisten en partículas cargadas que se mueven muy rápido. El núcleo de hierro de la Tierra es muy adecuado. El núcleo debe contener materiales radiactivos para mantenerlo caliente y fluido.
Varios tipos de rocas
Debe haber una buena mezcla de materiales rocosos, algunos de alta densidad y otros de baja densidad. Entonces, las partes de baja densidad de la corteza serán más gruesas que las partes de alta densidad. Dado que la corteza flotará sobre el núcleo fundido, las partes gruesas de la corteza serán continentes. La elevación de su superficie exterior será mayor que la de las partes delgadas de la corteza, que se convertirán en las cuencas oceánicas. Tal mezcla proporcionará una variedad de hábitats. De lo contrario, un planeta con mucha agua sería casi todo océano, y uno con poca agua sería casi todo continente.
Abundante agua, sin otros líquidos
La molécula de agua tiene un ángulo extraño entre los átomos de hidrógeno, no exactamente 90 grados. En vapor de agua el ángulo es de 104 grados 40 minutos. La propiedad del agua de expandirse cuando se congela se debe a la flexibilidad en el ángulo. Cuando las moléculas están lo suficientemente calientes como para moverse entre sí, dinámicamente ocupan menos volumen que cuando están lo suficientemente frías como para tener posiciones fijas y una estructura aleatoria.
Expliquemos este punto con más detalle. El átomo de oxígeno es fuertemente electronegativo. Esto significa que mantiene todos los electrones muy cerca de sí mismo. Hay diez electrones en una molécula de agua, pero el núcleo del átomo de oxígeno tiene solo ocho protones. Por lo tanto, el átomo de oxígeno en una molécula de agua tiene casi dos cargas negativas desequilibradas. Los dos núcleos de hidrógeno quedan casi desnudos, por lo que cada uno tiene casi una carga positiva desequilibrada.
El átomo de oxígeno en una molécula de agua es atraído por los átomos de hidrógeno de otras moléculas de agua. A baja temperatura, este tipo de "enlace de hidrógeno extramolecular" puede unir una molécula de agua con otras cuatro. La celosía que se forma ocupa una gran cantidad de espacio. A temperaturas más altas, en el agua líquida, existe otra estructura en la que una molécula está unida a otras tres. La celosía es inestable y ocupa menos espacio que la celosía de baja temperatura. Las moléculas de agua líquida no ocupan tanto espacio como en el hielo. Esto es lo que hace que el hielo flote en el agua líquida. He aquí un caso en el que algún desorden, u orden menos que perfecto, es necesario para la vida.
El agua líquida tiene una gravedad específica de 1.000 por definición a 4º C. Se expande cuando se congela a una gravedad específica de 0,92. Esto significa que el hielo flota. Si el agua tuviera moléculas que encajaran perfectamente como casi todas las demás moléculas, los lagos y océanos estarían congelados de abajo hacia arriba. En verano puede haber charcos de agua fría sobre el hielo. La vida acuática no podría existir.
En tierra, la expansión por congelación permite que el agua rompa las masas rocosas. El agua se cuela en las grietas y luego se congela, ejerciendo una presión que abre las grietas. Luego, cuando llega el deshielo, el agua llena la nueva grieta y está lista para expandirla un poco más. Fueron necesarios muchos ciclos de congelación y descongelación antes de que el agua rompiera la superficie rocosa de la tierra o el escudo volcánico en finos fragmentos. Cuando el agua hizo su trabajo, la superficie de la Tierra estaba lo suficientemente suelta como para permitir que las raíces penetraran y las plantas pudieran crecer.
Ni el metano ni el amoníaco tienen esta propiedad de expandirse al congelarse. Estos químicos abundan en las atmósferas de Júpiter, Saturno, Urano, Neptuno y Titán, una luna de Saturno. Uno o más de los planetas que acabamos de mencionar pueden ser completamente gaseosos, pero sabemos que Titán tiene una superficie sólida. Titán no tiene suelo como la Tierra porque cualquier agua superficial presente es demasiado fría para alternar entre congelación y descongelación. La superficie no es como el suelo y no puede soportar plantas.
El equilibrio correcto entre gases
El equilibrio entre el dióxido de carbono, el vapor de agua y la temperatura es fundamental. Si la temperatura es lo suficientemente baja pero no demasiado baja, el agua será líquida. Los océanos disolverán una gran cantidad de dióxido de carbono. El agua que contiene dióxido de carbono es un ácido débil que desgasta la piedra caliza y hace que el material esté disponible para las conchas marinas. El aire no contendrá demasiado dióxido de carbono y parte del calor escapará al espacio exterior. Por lo tanto, se puede mantener un equilibrio de temperatura en un planeta como la Tierra.
Pero si la temperatura sube demasiado, el agua liberará el dióxido de carbono, como un refresco tibio libera burbujas. Esto atrapará el calor debajo de la atmósfera y elevará más la temperatura. Venus tiene una temperatura superficial de 500 grados y no tiene agua líquida en la superficie debido a este efecto invernadero descontrolado. Por la misma razón, Venus está sujeto a violentas tormentas. Los vientos allí se mueven constantemente al doble de la velocidad de los vientos huracanados más violentos de la Tierra.
Suelo superficial y gases disueltos
La tierra de la superficie debe estar suelta, pero no demasiado. Si no hay nada que lo sostenga, habrá tormentas de polvo constantes. Los volcanes pueden hacer que el suelo se afloje y se vuelva poroso si la lava fundida tiene gases disueltos en ella. Estos están presentes en la Tierra porque las placas tectónicas siempre se deslizan unas sobre otras. Esto arrastra los fondos oceánicos anteriores con sus conchas marinas y materia de diatomeas hacia el manto. La materia biológica, incluido el dióxido de carbono disuelto, luego regresa a la superficie de la Tierra en forma de roca fundida. Si no hubiera gases disueltos, los flujos de lava producirían una superficie dura e impermeable como la de Venus.
Condiciones tranquilas
Las condiciones físicas, geológicas y climáticas de la Tierra son relativamente tranquilas. En todas partes del sistema solar encontramos violencia. Los científicos se han desconcertado con muchas coincidencias. Mirando a Venus, la Tierra y Marte, vemos que la Tierra "no es demasiado caliente, ni demasiado fría, pero está bien". La Tierra es el único lugar conocido en el universo con agua líquida.
El informe meteorológico diario de Venus presenta vientos dos veces más rápidos que los huracanes más poderosos de la Tierra. La Mancha Roja, más grande que la Tierra, que Galileo vio en Júpiter resultó ser una tormenta que ha estado rugiendo durante más de 350 años y tal vez para siempre. En 1989 descubrimos una tormenta similar, la Mancha Negra de Neptuno.
Hay volcanes y coladas de lava en la Tierra, pero los nuestros son enanos comparados con los de Venus y Marte. Una de las sondas espaciales Voyager fotografió un volcán en erupción en Io, el gran satélite más interior de Júpiter. Io es más pequeña que nuestra propia Luna, pero está cubierta de volcanes y flujos de lava fresca. En los confines más lejanos y fríos del sistema solar puede que no haya magma caliente, pero la superficie de Tritón, la luna más grande de Neptuno, puede haber surgido del vulcanismo del hielo.
No podemos ver la superficie de Júpiter, Urano o Neptuno, y no estamos seguros de que Saturno tenga una superficie sólida. Pero las superficies de todos los demás cuerpos del sistema solar están llenas de cráteres. Mercurio tiene tantos cráteres que no caben más. Cualquier cráter nuevo borra partes de cráteres antiguos. Venus tiene una atmósfera protectora mucho más espesa que la de la Tierra, y nuevos flujos de lava resurgen en Venus cada millón de años. Aun así, el radar encontró cientos de cráteres de impacto allí. Marte tiene lo que muchos astrónomos pensaron que era una llanura lisa, hasta que las mediciones cuidadosas con el altímetro láser de Marte mostraron que era un cráter lo suficientemente grande como para contener Europa occidental o los Estados Unidos desde la costa este hasta las Montañas Rocosas. Las lunas de Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno tienen tantos cráteres como nuestra propia Luna. La Tierra tiene algunos cráteres de impacto, pero ninguno como el número que vemos en cualquier otro lugar. ¿Cómo escapamos?
El impacto de un asteroide supuestamente destruyó a los dinosaurios y abrió un nicho para los mamíferos al final de una era hace unos 65 millones de años. El asteroide debía ser lo suficientemente grande, al menos 10 km de diámetro, para destruir la mayoría de las formas de vida grandes. Si hubiera sido demasiado grande, digamos 30 km o más de diámetro, habría destruido todas las formas más grandes que las bacterias. Eso habría devuelto a la Tierra a las condiciones precámbricas, y la población progresiva de la Tierra con plantas, animales y personas habría tenido que empezar de nuevo. Uno realmente grande nunca nos ha golpeado.
Se estima que hay 700 asteroides de más de 1 km cuyas órbitas se acercan a la de la Tierra hasta 40 millones de km (30 millones de millas o el 30 % de la distancia entre la Tierra y el Sol).[1] El cinturón de asteroides tiene alrededor de 1000 objetos de más de 50 km de diámetro. Afortunadamente para nosotros, los grandes conocidos están muy bien guiados por el enorme campo gravitatorio de Júpiter y se mantienen en el cinturón de asteroides más allá de Marte.
[1] Schwarzschild, Bertram, “Survey Halves Estimated Population of Big Near-Earth Asteroids [Una encuesta corta por la mitad la población estimada de grandes asteroides cerca a la Tierra],” Physics Today, 53 (Número 3, marzo de 2000), págs. 21–23.
La NASA ha llevado a cabo una encuesta para ver si la Tierra está en riesgo en el corto plazo debido a los asteroides cuyas órbitas se acercan o cruzan la órbita de la Tierra. ¿Cuánto tiempo deben continuar examinando el sistema solar hasta que puedan estar seguros de haber visto la mayoría de los grandes? Como ejemplo tomaremos el cometa Halley. Su núcleo es un objeto irregular con “forma de patata” de unos 15 km de largo y 10 km de diámetro. Pasa la mayor parte de su tiempo cerca de la órbita de Neptuno en la oscuridad y el frío, donde no puede reflejar suficiente luz para ser visto. Podemos verlo solo una vez cada 76 años cuando se aventura cerca del Sol dentro de la órbita de Júpiter. Cada vez que un cometa se acerca al Sol, parte de su material hierve y se aleja en una larga cola. El cometa Halley no durará más que otros mil viajes de ida y vuelta. Eso significa que no durará más de 76 000 años. Su edad actual debe ser igualmente del orden de miles, no millones, de años. Si el sistema solar tiene unos 5 000 millones de años, ¿por qué todavía hay cometas? Los nuevos objetos son empujados constantemente a órbitas más bajas por encuentros cercanos con los planetas exteriores. ¿Cuántos otros pedazos grandes hay por ahí? En el cinturón de Kuiper recién descubierto, más allá de Neptuno, hay quizás 100.000 objetos de más de 50 km de diámetro.
De todo esto sabemos que la Tierra debería haber recibido tantos golpes como la Luna. De alguna manera, hemos escapado. ¿Es la Tierra el planeta más afortunado del universo? ¿O hay una mejor explicación?
En Isaías 45:18 el profeta dice: Porque así dice el Señor: El que creó los cielos, él es Dios; el que modeló e hizo la tierra, él la fundó; no la creó para que estuviera vacía, sino que la formó para que fuera habitada—dice: “Yo soy el Señor, y no hay otro.” ¿La razón por la que la Tierra está tan bien adaptada para la vida puede ser que Dios la diseñó de esa manera? ¿Su mano invisible y protectora nos defiende de los desastrosos impactos de asteroides?
Uno cree en Dios o en la diosa Suerte. Nuestro sistema solar y nuestro planeta natal parecen tener "diseño creativo benévolo" escrito por todas partes.
Se formaron muchos planetas, pero uno era especialmente adecuado para la vida. La Tierra reúne todas las condiciones especiales que discutimos a continuación.
Una galaxia anfitriona rica en polvo
Hacer las moléculas complejas de la vida requiere la mayoría de los elementos. Los elementos pesados se encuentran en el polvo de estrellas. Algunas galaxias tienen muy poco polvo. La vida requiere una galaxia polvorienta.
Una ubicación galáctica entre nuevas estrellas
Los centros galácticos suelen tener estrellas viejas, calientes, de color blanco azulado. Debemos buscar en el borde galáctico, donde hay nuevas estrellas amarillas que arden a una temperatura más baja. Estas estrellas incorporan núcleos de carbono y oxígeno para catalizar sus reacciones nucleares.
Una estrella madre solitaria
La estrella madre debe ser una estrella soltera. El planeta que alberga la vida debe tener una iluminación y un calentamiento casi uniformes. Las estrellas dobles, triples o múltiples harían que las órbitas de los planetas fueran demasiado complicadas. Las órbitas complicadas, con el planeta a veces cerca de una estrella, a veces cerca de otra, a veces lejos de cualquier estrella, no son suficientes. Solamente una sola estrella puede tener planetas con órbitas simples.
Una estrella del tamaño adecuado
La luminosidad de una estrella depende de su tamaño: cuanto más grande, más brillante.
Una pequeña estrella madre tiene una salida de luz muy baja y un planeta tiene que orbitar muy cerca de la estrella para obtener suficiente calor. La estrella ocuparía gran parte del cielo diurno. Difícilmente habría sombras. Los relojes de sol no funcionarían. Pero ese no es el único problema. Un planeta que está demasiado cerca de su estrella madre quedará bloqueado por la marea, sincronizando su rotación con sus revoluciones orbitales. La Luna gira una sola vez en su órbita alrededor de la Tierra. Mercurio, el planeta más cercano al Sol, gira tres veces cada dos órbitas. Venus, el planeta entre Mercurio y la Tierra, realiza rotaciones completas muy lentamente. El enfriamiento y calentamiento de la noche y el día en un planeta bloqueado por mareas es tan lento que hay grandes cambios de temperatura. Todas las noches la mayor parte del agua se congela y todos los días la mayor parte del agua hierve. Casi toda la vida tendría que migrar diariamente alrededor del planeta, manteniéndose cerca del terminador del amanecer o el atardecer. En la Tierra migran relativamente pocas especies y de ellas solo unas pocas migran distancias comparables al diámetro del planeta. Ninguno migra diariamente.
Una gran estrella madre tiene una luminosidad tremenda. La salida de luz de una gran estrella madre es muy grande, y el planeta debe orbitar muy lejos de la estrella para obtener la temperatura adecuada. La estrella parecería un punto de luz, mucho más pequeño que el disco de nuestro Sol. La estrella aún proporcionaría información. Serviría como una señal para el cronometraje. Sin embargo, el planeta podría no tener habitantes inteligentes para leer un reloj de sol. Las grandes estrellas queman su combustible muy rápidamente. La vida vegetal no tendría tiempo suficiente para oxigenar la atmósfera. No necesitamos buscar animales o vida más inteligente en ningún planeta que orbite alrededor de una gran estrella.
Una vez que las estrellas queman todo su hidrógeno, comienzan a colapsar y aumentar su temperatura. Si son lo suficientemente grandes, la temperatura sube hasta que pueden quemar helio. El helio produce un fuego nuclear mucho más caliente. Las capas exteriores de la estrella se expanden hacia afuera, tal vez engullendo a cualquier planeta que estuviera a la distancia adecuada durante la fase de combustión del hidrógeno. Ya sea que algunos planetas sean engullidos o no, el helio también se quema rápidamente, el fuego se apaga nuevamente y la estrella comienza a colapsar nuevamente, elevando la temperatura aún más. Si la estrella es solo un 40 por ciento más grande que el Sol, la temperatura sube a la temperatura de ignición de los 90 elementos restantes a la vez. La estrella se convierte en una supernova. La conflagración resultante destruye la estrella en unos pocos días. Ese sería el final si hubiera vida en cualquier planeta cercano.
Una estrella del color correcto
Hay estrellas de diferentes colores y temperaturas. Las estrellas van desde las más calientes, las estrellas de color blanco azulado, pasando por las estrellas amarillas intermedias hasta las estrellas gigantes rojas relativamente frías. La constelación de Orión contiene la gama de colores. Orión se puede ver como un cazador que porta una espada o daga que cuelga de su cinturón. La estrella en su hombro derecho, Alfa Orionis o Betelgeuse, es una estrella gigante roja, con una temperatura superficial de 3.000 kelvin o Celsius, 5.400º F. La estrella en su pie izquierdo, Beta Orionis o Rigel, es de color blanco azulado, con una temperatura superficial de 25.000 kelvin o Celsius, 45.000º F. Hay estrellas dos veces más calientes que Rigel, pero están demasiado lejos de la tierra para parecer brillantes y fácilmente reconocibles. Nuestro Sol, con una temperatura superficial de unos 6.000 kelvin o Celsius, 10.000º F, es intermedio.
Algunas personas llaman al Sol ordinario o incluso mediocre. Esto no es así.
Los cuatro gases necesarios para la vida son oxígeno, dióxido de carbono, vapor de agua y nitrógeno. Este último es necesario para el fertilizante de plantas y para ADN y los proteinas. Todos son transparentes en una banda de frecuencias llamada banda visible. La banda visible transmite los colores rojo y verde que necesita la fotosíntesis. Una estrella amarilla emite la mayor parte de su luz en el medio de la banda visible. Si la estrella fuera de cualquier otro color, la atmósfera del planeta bloquearía la mayor parte de la luz de la estrella. Un planeta podría estar a la distancia adecuada de una estrella de color blanco azulado o de una estrella roja para obtener la temperatura adecuada, pero la luz del día sería tenue en la superficie. Eso difícilmente sería útil para los seres inteligentes con visión. Si el planeta orbita alrededor de una estrella roja, no habrá suficiente luz azul y violeta para las tasas normales de fotosíntesis. Hay algo de fotosíntesis solo con luz roja, pero la falta de luz azul y violeta es un factor limitante. Si el planeta orbita alrededor de una estrella de color blanco azulado, habrá demasiada radiación ultravioleta. La intensa radiación ultravioleta destruye los complejos compuestos bioquímicos necesarios para la vida. La vida vegetal tiene que prosperar durante millones de años para oxigenar la atmósfera de un planeta. El oxígeno libre se disociará en ozono en la atmósfera superior bajo la acción de los rayos ultravioleta más enérgicos y dañinos de la estrella madre. La capa de ozono debe estar presente para proteger la vida en la superficie del planeta de estos rayos. Si la atmósfera del planeta no tiene oxígeno libre, no puede tener una capa de ozono en la atmósfera superior para proteger su superficie. Los dañinos rayos ultravioleta llegarían al suelo y evitarían que se formaran compuestos complejos como la clorofila.
No necesitamos buscar vida cerca de estrellas rojas o de estrellas de color blanco azulado. Las estrellas amarillas son especiales. Además, hay estrellas madre pequeñas y estrellas madre grandes. Nuestro Sol es una estrella madre de tamaño intermedio. ¿Es eso especial? ¡Sí! ¿Quién dice que nuestro Sol es mediocre? es muy especial ¿Somos simplemente afortunados, o eligió una inteligencia poderosa y benévola el Sol para nosotros?
Un sol brillante en un cielo oscuro
Las temperaturas habitables en la Tierra requieren un Sol brillante en un cielo oscuro. Ya hemos visto que la expansión del universo oscurece el cielo nocturno. La luz del sol gobierna el día porque viene de una sola dirección. Podemos usar el ángulo de la luz solar para determinar la hora del día. Cuando el cielo está lo suficientemente despejado como para permitir que el Sol proyecte una sombra, podemos obtener esta información de la luz del sol con un reloj de sol. Incluso cuando un cielo muy nublado borra todas las sombras, normalmente es posible determinar la posición del Sol con cierta precisión. Por lo tanto, el Sol sirve como un signo de la hora del día.
La misma disposición física, una fuente brillante en un cielo oscuro, hace que la luz del sol sea útil para impulsar motores térmicos. Un tipo muy importante de motor térmico son los animales, incluidas las personas. Examinaremos esta forma de interpretarnos en el siguiente capítulo sobre la termodinámica de la vida.
Órbitas circulares
La órbita del planeta anfitrión debe ser casi circular para evitar temperaturas extremas durante todo el año. Si la estrella tiene más de un planeta, las órbitas deben encajar ordenadamente para evitar colisiones. Todas las órbitas deben ser casi circulares. Muchos sistemas extrasolares tienen un gran planeta en una órbita altamente elíptica. Imagine a Júpiter en una órbita altamente elíptica que se superpone a la órbita de la Tierra. Correría por nuestro sistema solar como un toro en una tienda de porcelana. La Tierra tarde o temprano sufriría una colisión fatal que acabaría con toda la vida conocida.
Una corte de planetas
Una corte de planetas recolectará elementos que no se necesitan en abundancia en el planeta anfitrión, como el hidrógeno adicional que se encuentra en las atmósferas de Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno. Los planetas grandes deberían encontrarse al exterior, para usar su gravedad para interrumpir las órbitas de los cometas y asteroides excéntricos y defender los planetas interiores.
Un planeta casi esférico
El planeta debe ser casi esférico. De lo contrario, el planeta podría bloquearse por mareas, es decir, su rotación podría disminuir hasta que su día fuera comparable a su año. La Luna es elíptica, y un lado siempre mira hacia la Tierra. Esto hace que un día en la Luna dure un mes. Mercurio es elíptico como una pelota de fútbol y en su máxima aproximación al Sol, uno de sus extremos apunta hacia el Sol. Esto hace que el día de Mercurio sea igual a dos tercios de su año. La rotación más rápida de la Tierra proporciona un calentamiento más uniforme.
Inclinación orbital moderada
El planeta no debe estar tan inclinado que sus polos estén cerca del plano orbital, o el día en la mayor parte del planeta será el mismo que el año del planeta. Los polos norte y sur del planeta Urano apuntan alternativamente hacia el sol. Dado que Urano tarda 84 años en dar una vuelta alrededor del Sol, un ciclo de luz y oscuridad también dura 84 años. Por otro lado, se necesita cierta inclinación orbital para producir estaciones. El eje de giro de la Tierra está inclinado 23 grados con respecto a la vertical en relación con el plano orbital de la Tierra. Esto hace que la luz del sol del mediodía brille desde lo alto del cielo en un día de verano. Brilla desde abajo cerca del horizonte en invierno. La variación de temperatura que esto produce durante el año corresponde a importantes ciclos de renovación entre plantas y animales.
Un gran satélite
Preferiblemente el planeta tendrá un satélite de tamaño relativo apreciable. La Luna ayuda a defender la Tierra de los impactos al interrumpir la órbita de cualquier asteroide perdido que se acerque a la Tierra.
La Luna también estabiliza la inclinación orbital de la Tierra contra las perturbaciones de los otros planetas. Sin la Luna, la Tierra inclinaría periódicamente su eje tanto que sus polos apuntarían hacia el Sol, y el día sería igual al año. Toda la vida animal en la Tierra tendría que hacer una migración semestral de 10.000 millas o 16.000 kilómetros.
Un gran satélite hará que las mareas froten las plataformas continentales y aumente una interacción saludable entre la hidrosfera y la litosfera.
Los animales pueden usar el satélite para iluminarse por la noche. La vida inteligente puede usar el satélite para medir el paso del tiempo en unidades mayores que días y menores que años.
La temperatura adecuada
La órbita debe estar a la distancia correcta de la estrella madre. La distancia y el tipo de estrella determina el rango de temperatura. El agua debe ser líquida la mayor parte del tiempo para permitir una amplia variedad de reacciones químicas. Este es también el rango de temperatura adecuado para hacer largas cadenas de hidrocarburos.
La vieja idea de ciencia ficción de la vida a alta temperatura basada en cadenas de hidro-silicio no funciona. El silicio no forma ni de cerca la variedad de moléculas complejas que forma el carbono.
El tamaño adecuado para la atmósfera justa
El planeta habitable debe ser lo suficientemente grande para retener una atmósfera, pero no demasiado grande, o la atmósfera será demasiado espesa. El planeta debe ser lo suficientemente pequeño para dejar escapar el exceso de hidrógeno. El tamaño para retener una atmósfera está relacionado con la temperatura promedio.
Un núcleo fundido
El planeta debe tener un núcleo fundido conductor de electricidad para permitir corrientes que generen un campo magnético. Esto defiende al planeta de esos rayos cósmicos que consisten en partículas cargadas que se mueven muy rápido. El núcleo de hierro de la Tierra es muy adecuado. El núcleo debe contener materiales radiactivos para mantenerlo caliente y fluido.
Varios tipos de rocas
Debe haber una buena mezcla de materiales rocosos, algunos de alta densidad y otros de baja densidad. Entonces, las partes de baja densidad de la corteza serán más gruesas que las partes de alta densidad. Dado que la corteza flotará sobre el núcleo fundido, las partes gruesas de la corteza serán continentes. La elevación de su superficie exterior será mayor que la de las partes delgadas de la corteza, que se convertirán en las cuencas oceánicas. Tal mezcla proporcionará una variedad de hábitats. De lo contrario, un planeta con mucha agua sería casi todo océano, y uno con poca agua sería casi todo continente.
Abundante agua, sin otros líquidos
La molécula de agua tiene un ángulo extraño entre los átomos de hidrógeno, no exactamente 90 grados. En vapor de agua el ángulo es de 104 grados 40 minutos. La propiedad del agua de expandirse cuando se congela se debe a la flexibilidad en el ángulo. Cuando las moléculas están lo suficientemente calientes como para moverse entre sí, dinámicamente ocupan menos volumen que cuando están lo suficientemente frías como para tener posiciones fijas y una estructura aleatoria.
Expliquemos este punto con más detalle. El átomo de oxígeno es fuertemente electronegativo. Esto significa que mantiene todos los electrones muy cerca de sí mismo. Hay diez electrones en una molécula de agua, pero el núcleo del átomo de oxígeno tiene solo ocho protones. Por lo tanto, el átomo de oxígeno en una molécula de agua tiene casi dos cargas negativas desequilibradas. Los dos núcleos de hidrógeno quedan casi desnudos, por lo que cada uno tiene casi una carga positiva desequilibrada.
El átomo de oxígeno en una molécula de agua es atraído por los átomos de hidrógeno de otras moléculas de agua. A baja temperatura, este tipo de "enlace de hidrógeno extramolecular" puede unir una molécula de agua con otras cuatro. La celosía que se forma ocupa una gran cantidad de espacio. A temperaturas más altas, en el agua líquida, existe otra estructura en la que una molécula está unida a otras tres. La celosía es inestable y ocupa menos espacio que la celosía de baja temperatura. Las moléculas de agua líquida no ocupan tanto espacio como en el hielo. Esto es lo que hace que el hielo flote en el agua líquida. He aquí un caso en el que algún desorden, u orden menos que perfecto, es necesario para la vida.
El agua líquida tiene una gravedad específica de 1.000 por definición a 4º C. Se expande cuando se congela a una gravedad específica de 0,92. Esto significa que el hielo flota. Si el agua tuviera moléculas que encajaran perfectamente como casi todas las demás moléculas, los lagos y océanos estarían congelados de abajo hacia arriba. En verano puede haber charcos de agua fría sobre el hielo. La vida acuática no podría existir.
En tierra, la expansión por congelación permite que el agua rompa las masas rocosas. El agua se cuela en las grietas y luego se congela, ejerciendo una presión que abre las grietas. Luego, cuando llega el deshielo, el agua llena la nueva grieta y está lista para expandirla un poco más. Fueron necesarios muchos ciclos de congelación y descongelación antes de que el agua rompiera la superficie rocosa de la tierra o el escudo volcánico en finos fragmentos. Cuando el agua hizo su trabajo, la superficie de la Tierra estaba lo suficientemente suelta como para permitir que las raíces penetraran y las plantas pudieran crecer.
Ni el metano ni el amoníaco tienen esta propiedad de expandirse al congelarse. Estos químicos abundan en las atmósferas de Júpiter, Saturno, Urano, Neptuno y Titán, una luna de Saturno. Uno o más de los planetas que acabamos de mencionar pueden ser completamente gaseosos, pero sabemos que Titán tiene una superficie sólida. Titán no tiene suelo como la Tierra porque cualquier agua superficial presente es demasiado fría para alternar entre congelación y descongelación. La superficie no es como el suelo y no puede soportar plantas.
El equilibrio correcto entre gases
El equilibrio entre el dióxido de carbono, el vapor de agua y la temperatura es fundamental. Si la temperatura es lo suficientemente baja pero no demasiado baja, el agua será líquida. Los océanos disolverán una gran cantidad de dióxido de carbono. El agua que contiene dióxido de carbono es un ácido débil que desgasta la piedra caliza y hace que el material esté disponible para las conchas marinas. El aire no contendrá demasiado dióxido de carbono y parte del calor escapará al espacio exterior. Por lo tanto, se puede mantener un equilibrio de temperatura en un planeta como la Tierra.
Pero si la temperatura sube demasiado, el agua liberará el dióxido de carbono, como un refresco tibio libera burbujas. Esto atrapará el calor debajo de la atmósfera y elevará más la temperatura. Venus tiene una temperatura superficial de 500 grados y no tiene agua líquida en la superficie debido a este efecto invernadero descontrolado. Por la misma razón, Venus está sujeto a violentas tormentas. Los vientos allí se mueven constantemente al doble de la velocidad de los vientos huracanados más violentos de la Tierra.
Suelo superficial y gases disueltos
La tierra de la superficie debe estar suelta, pero no demasiado. Si no hay nada que lo sostenga, habrá tormentas de polvo constantes. Los volcanes pueden hacer que el suelo se afloje y se vuelva poroso si la lava fundida tiene gases disueltos en ella. Estos están presentes en la Tierra porque las placas tectónicas siempre se deslizan unas sobre otras. Esto arrastra los fondos oceánicos anteriores con sus conchas marinas y materia de diatomeas hacia el manto. La materia biológica, incluido el dióxido de carbono disuelto, luego regresa a la superficie de la Tierra en forma de roca fundida. Si no hubiera gases disueltos, los flujos de lava producirían una superficie dura e impermeable como la de Venus.
Condiciones tranquilas
Las condiciones físicas, geológicas y climáticas de la Tierra son relativamente tranquilas. En todas partes del sistema solar encontramos violencia. Los científicos se han desconcertado con muchas coincidencias. Mirando a Venus, la Tierra y Marte, vemos que la Tierra "no es demasiado caliente, ni demasiado fría, pero está bien". La Tierra es el único lugar conocido en el universo con agua líquida.
El informe meteorológico diario de Venus presenta vientos dos veces más rápidos que los huracanes más poderosos de la Tierra. La Mancha Roja, más grande que la Tierra, que Galileo vio en Júpiter resultó ser una tormenta que ha estado rugiendo durante más de 350 años y tal vez para siempre. En 1989 descubrimos una tormenta similar, la Mancha Negra de Neptuno.
Hay volcanes y coladas de lava en la Tierra, pero los nuestros son enanos comparados con los de Venus y Marte. Una de las sondas espaciales Voyager fotografió un volcán en erupción en Io, el gran satélite más interior de Júpiter. Io es más pequeña que nuestra propia Luna, pero está cubierta de volcanes y flujos de lava fresca. En los confines más lejanos y fríos del sistema solar puede que no haya magma caliente, pero la superficie de Tritón, la luna más grande de Neptuno, puede haber surgido del vulcanismo del hielo.
No podemos ver la superficie de Júpiter, Urano o Neptuno, y no estamos seguros de que Saturno tenga una superficie sólida. Pero las superficies de todos los demás cuerpos del sistema solar están llenas de cráteres. Mercurio tiene tantos cráteres que no caben más. Cualquier cráter nuevo borra partes de cráteres antiguos. Venus tiene una atmósfera protectora mucho más espesa que la de la Tierra, y nuevos flujos de lava resurgen en Venus cada millón de años. Aun así, el radar encontró cientos de cráteres de impacto allí. Marte tiene lo que muchos astrónomos pensaron que era una llanura lisa, hasta que las mediciones cuidadosas con el altímetro láser de Marte mostraron que era un cráter lo suficientemente grande como para contener Europa occidental o los Estados Unidos desde la costa este hasta las Montañas Rocosas. Las lunas de Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno tienen tantos cráteres como nuestra propia Luna. La Tierra tiene algunos cráteres de impacto, pero ninguno como el número que vemos en cualquier otro lugar. ¿Cómo escapamos?
El impacto de un asteroide supuestamente destruyó a los dinosaurios y abrió un nicho para los mamíferos al final de una era hace unos 65 millones de años. El asteroide debía ser lo suficientemente grande, al menos 10 km de diámetro, para destruir la mayoría de las formas de vida grandes. Si hubiera sido demasiado grande, digamos 30 km o más de diámetro, habría destruido todas las formas más grandes que las bacterias. Eso habría devuelto a la Tierra a las condiciones precámbricas, y la población progresiva de la Tierra con plantas, animales y personas habría tenido que empezar de nuevo. Uno realmente grande nunca nos ha golpeado.
Se estima que hay 700 asteroides de más de 1 km cuyas órbitas se acercan a la de la Tierra hasta 40 millones de km (30 millones de millas o el 30 % de la distancia entre la Tierra y el Sol).[1] El cinturón de asteroides tiene alrededor de 1000 objetos de más de 50 km de diámetro. Afortunadamente para nosotros, los grandes conocidos están muy bien guiados por el enorme campo gravitatorio de Júpiter y se mantienen en el cinturón de asteroides más allá de Marte.
[1] Schwarzschild, Bertram, “Survey Halves Estimated Population of Big Near-Earth Asteroids [Una encuesta corta por la mitad la población estimada de grandes asteroides cerca a la Tierra],” Physics Today, 53 (Número 3, marzo de 2000), págs. 21–23.
La NASA ha llevado a cabo una encuesta para ver si la Tierra está en riesgo en el corto plazo debido a los asteroides cuyas órbitas se acercan o cruzan la órbita de la Tierra. ¿Cuánto tiempo deben continuar examinando el sistema solar hasta que puedan estar seguros de haber visto la mayoría de los grandes? Como ejemplo tomaremos el cometa Halley. Su núcleo es un objeto irregular con “forma de patata” de unos 15 km de largo y 10 km de diámetro. Pasa la mayor parte de su tiempo cerca de la órbita de Neptuno en la oscuridad y el frío, donde no puede reflejar suficiente luz para ser visto. Podemos verlo solo una vez cada 76 años cuando se aventura cerca del Sol dentro de la órbita de Júpiter. Cada vez que un cometa se acerca al Sol, parte de su material hierve y se aleja en una larga cola. El cometa Halley no durará más que otros mil viajes de ida y vuelta. Eso significa que no durará más de 76 000 años. Su edad actual debe ser igualmente del orden de miles, no millones, de años. Si el sistema solar tiene unos 5 000 millones de años, ¿por qué todavía hay cometas? Los nuevos objetos son empujados constantemente a órbitas más bajas por encuentros cercanos con los planetas exteriores. ¿Cuántos otros pedazos grandes hay por ahí? En el cinturón de Kuiper recién descubierto, más allá de Neptuno, hay quizás 100.000 objetos de más de 50 km de diámetro.
De todo esto sabemos que la Tierra debería haber recibido tantos golpes como la Luna. De alguna manera, hemos escapado. ¿Es la Tierra el planeta más afortunado del universo? ¿O hay una mejor explicación?
En Isaías 45:18 el profeta dice: Porque así dice el Señor: El que creó los cielos, él es Dios; el que modeló e hizo la tierra, él la fundó; no la creó para que estuviera vacía, sino que la formó para que fuera habitada—dice: “Yo soy el Señor, y no hay otro.” ¿La razón por la que la Tierra está tan bien adaptada para la vida puede ser que Dios la diseñó de esa manera? ¿Su mano invisible y protectora nos defiende de los desastrosos impactos de asteroides?
Uno cree en Dios o en la diosa Suerte. Nuestro sistema solar y nuestro planeta natal parecen tener "diseño creativo benévolo" escrito por todas partes.