Habitabilidad de los satélites naturales

La mayoría de los astrobiólogos consideran que el agua líquida es un requisito esencial para la vida extraterrestre. Existen cada vez más indicios de agua líquida subterránea en varias lunas del Sistema Solar que orbitan los gigantes gaseosos Júpiter , Saturno , Urano y Neptuno . Sin embargo, hasta la fecha, ninguna de estas masas de agua subterránea ha sido confirmada.

Para una órbita estable, la relación entre el período orbital de la luna P _s alrededor de su estrella primaria P _p debe ser < 1 ⁄ 9 , por ejemplo, si un planeta tarda 90 días en orbitar su estrella, la órbita estable máxima para una luna de ese planeta es menor a 10 días. ^{[ 16 ] [ 17 ]} Las simulaciones sugieren que una luna con un período orbital menor a unos 45 a 60 días permanecerá de forma segura ligada a un planeta gigante masivo o una enana marrón que orbita a 1 UA de una estrella similar al Sol. ^{[ 18 ]}

Los astrobiólogos consideran que la atmósfera es importante para el desarrollo de la química prebiótica , el sustento de la vida y la existencia de agua superficial. La mayoría de los satélites naturales del Sistema Solar carecen de atmósferas significativas, con la única excepción de Titán , la luna de Saturno . ^{[ 19 ]}

La pulverización catódica , un proceso por el cual los átomos son expulsados ​​de un material sólido debido al bombardeo de partículas energéticas, representa un problema significativo para los satélites naturales. Todos los gigantes gaseosos del Sistema Solar, y probablemente también los que orbitan otras estrellas, poseen magnetosferas con cinturones de radiación lo suficientemente potentes como para erosionar por completo la atmósfera de una luna similar a la Tierra en tan solo unos cientos de millones de años. Los fuertes vientos estelares también pueden arrancar átomos de gas de la parte superior de una atmósfera, provocando su pérdida en el espacio.

Para mantener una atmósfera similar a la de la Tierra durante unos 4600 millones de años (la edad actual de la Tierra), se estima que una luna con una densidad similar a la de Marte necesitaría al menos el 7 % de la masa de la Tierra. ^{[ 20 ]} Una forma de disminuir la pérdida por pulverización catódica es que la luna tenga un campo magnético propio fuerte que pueda desviar el viento estelar y los cinturones de radiación. Las mediciones de la sonda Galileo de la NASA sugieren que las lunas grandes pueden tener campos magnéticos; descubrió que Ganímedes tiene su propia magnetosfera, aunque su masa es solo el 2,5 % de la de la Tierra. ^{[ 18 ]} Alternativamente, la atmósfera de la luna podría reponerse constantemente con gases de fuentes subterráneas, como algunos científicos creen que ocurre con Titán. ^{[ 21 ]}

Si bien los efectos de la aceleración de las mareas son relativamente modestos en los planetas, puede ser una fuente importante de energía para los satélites naturales y una fuente de energía alternativa para sustentar la vida.

Es probable que las lunas que orbitan gigantes gaseosos o enanas marrones estén acopladas por mareas a su estrella principal: es decir, sus días duran lo mismo que sus órbitas. Si bien el acoplamiento por mareas puede afectar negativamente a los planetas dentro de las zonas habitables al interferir con la distribución de la radiación estelar, puede favorecer la habitabilidad de los satélites al permitir el calentamiento por mareas . Científicos del Centro de Investigación Ames de la NASA modelaron la temperatura en exoplanetas acoplados por mareas en la zona de habitabilidad de estrellas enanas rojas . Descubrieron que una atmósfera con dióxido de carbono ( CO₂)₂ ) Una presión de tan solo1–1,5 atmósferas estándar (15–22psi)no solo permite temperaturas habitables, sino que también permite la presencia de agua líquida en el lado oscuro del satélite. El rango de temperatura de una luna que está acoplada por mareas a un gigante gaseoso podría ser menos extremo que el de un planeta acoplado a una estrella. Aunque no se han realizado estudios sobre el tema, cantidades modestas deCO Se especula que _{2 hacen que la temperatura sea habitable.} ^{[ 18 ]}

Los efectos de las mareas también podrían permitir que una luna mantuviera la tectónica de placas , lo que provocaría que la actividad volcánica regulara la temperatura de la luna ^{[ 22 ] [ 23 ]} y creara un efecto geodinámico que le daría al satélite un fuerte campo magnético . ^{[ 24 ]}

Inclinación axial y clima

Si se puede despreciar la interacción gravitacional de una luna con otros satélites, las lunas tienden a estar en rotación síncrona con sus planetas. Además de la rotación síncrona mencionada anteriormente, también existe un proceso denominado «erosión de inclinación», término acuñado originalmente para la erosión de la oblicuidad planetaria con respecto a la órbita de un planeta alrededor de su estrella anfitriona. ^{[ 25 ]} El estado de rotación final de una luna consiste entonces en un período de rotación igual a su período orbital alrededor del planeta y un eje de rotación perpendicular al plano orbital.

Si la masa de la Luna no es demasiado baja en comparación con la del planeta, puede a su vez estabilizar la inclinación axial del planeta , es decir, su oblicuidad con respecto a la órbita alrededor de la estrella. En la Tierra, la Luna ha desempeñado un papel importante en la estabilización de la inclinación axial de la Tierra, reduciendo así el impacto de las perturbaciones gravitacionales de los otros planetas y asegurando solo variaciones climáticas moderadas en todo el planeta. ^{[ 26 ]} En Marte , sin embargo, un planeta sin efectos de marea significativos de sus lunas de masa relativamente baja, Fobos y Deimos , la inclinación axial puede experimentar cambios extremos de 13° a 40° en escalas de tiempo de 5 a 10 millones de años . ^{[ 27 ] [ 28 ]}

Estar en rotación síncrona con un planeta gigante o una enana marrón permitiría climas más moderados en una luna que si la luna fuera un planeta de tamaño similar orbitando en rotación síncrona en la zona habitable de la estrella. ^{[ 29 ]} Esto es especialmente cierto en los sistemas de enanas rojas , donde las fuerzas gravitacionales comparativamente altas y las bajas luminosidades dejan la zona habitable en un área donde ocurriría la rotación síncrona. Si hay rotación síncrona, una rotación alrededor del eje puede tomar mucho tiempo en relación con un planeta (por ejemplo, ignorando la ligera inclinación axial de la Luna de la Tierra y el sombreado topográfico, cualquier punto dado en ella tiene dos semanas –en tiempo terrestre– de sol y dos semanas de noche en su día lunar), pero estos largos períodos de luz y oscuridad no son tan desafiantes para la habitabilidad como los días y noches eternos en un planeta en rotación síncrona con su estrella.

En 2012, los científicos introdujeron un concepto para definir las órbitas habitables de las lunas. ^{[ 30 ]} Este concepto es similar a la zona habitable circunestelar para planetas que orbitan una estrella, pero aplicado a lunas que orbitan un planeta. Este límite interior, al que denominan borde habitable circunplanetario, delimita la región en la que una luna puede ser habitable alrededor de su planeta. Las lunas más cercanas a su planeta que el borde habitable son inhabitables.

El entorno magnético de las exolunas, que se activa de manera crítica por el campo magnético intrínseco del planeta anfitrión, se ha identificado como otro factor de habitabilidad de las exolunas. ^{[ 31 ]} En particular, se descubrió que las lunas a distancias de entre 5 y 20 radios planetarios de un planeta gigante podrían ser habitables desde el punto de vista de la iluminación y el calentamiento por mareas, ^{[ 31 ]} pero aun así la magnetosfera planetaria influiría de manera crítica en su habitabilidad. ^{[ 31 ]}

Los exoplanetas del tamaño de la Tierra en la zona habitable alrededor de enanas rojas suelen estar en rotación síncrona con su estrella anfitriona. Esto provoca que un hemisferio siempre mire hacia la estrella, mientras que el otro permanece en la oscuridad. Al igual que un exoplaneta, una exoluna puede llegar a estar en rotación síncrona con su estrella principal. Sin embargo, dado que la estrella principal de la exoluna es un exoplaneta , continuaría girando con respecto a su estrella después de estar en rotación síncrona y, por lo tanto, seguiría experimentando un ciclo día-noche indefinidamente.

Los científicos consideran que el calentamiento por mareas es una amenaza para la habitabilidad de las exolunas. ^{[ 32 ]}