dissabte, 26 de juny de 2021

Com és que el nostre Sol no és un nan roig? David Kipping ens ofereix quatre respostes

Cosmosociologia: En l’entrada anterior fèiem referència a la “paradoxa de Fermi”. És a dir, com és que no coneixem cap altra civilització avançada que la del nostre planeta? Una possible resposta a la “paradoxa de Fermi” és la “hipòtesi de la Terra rara”, que assum que el nostre planeta ha estat especialment privilegiat, en part per la natura del nostre estel (“hipòtesi del Sol rar”), per la conformació del nostre sistema solar (“hipòtesi del Júpiter benefactor”), del nostre satèl·lit (“hipòtesi de la Lluna reguladora”) i de tota una altra sèrie de factors galàctics, estel·lars, planetaris, geològics i ecològics. En la fórmula de Drake, la “hipòtesi de la Terra rara” es tradueix en factors molt acostats a 0. Si ens fixem en la “hipòtesi del Sol rar” hem d’admetre un aspecte. El Sol és un estel de tipus espectral G2V, de manera que en el diagrama de Hertzsprung-Russell ocupa un lloc relativament central. Entre els estels de la seqüència principal, no obstant, la classe més nombrosa és, de llarg, la M: els nans vermells són els estels més abundants de l’univers. D’aquesta manera, hom ha formulat la “paradoxa de cel vermell”, en el sentit que el Sol no pertanyi a aquesta classe estel·lar. D’acord amb el principi copernicà expressat per Hermann Bondi en el 1952 hem d’assumir que ni la Terra, ni el Sistema Solar, ocupen un lloc d’observadors privilegiats en un univers que, a gran escala, és homogeni i isotròpic. Però com encaixa el principi copernicà amb un Sol que fa part d’una classe relativament minoritària d’estels? David Kipping ens ofereix quatre possibles respostes en un article publicat a la revista PNAS.

Diagrama de Hertzsprung-Russell de classificació dels estels segons la magnitud absoluta (eix y) i el tipus espectral (eix x). La línia V representa la seqüència principal, on es troben la major part dels estels de l’univers, concentrats a més en el cantó inferior dret del gràfic

Primera resposta: l’atzar

L’astrònom David Kipping és professor ajudant de la Columbia University i cap de Cool Worlds Lab. Conegut pels seus intents d’identificar satèl·lits d’exoplanetes gegants, en els darrers temps ha aplicat la probabilitat bayesiana a qüestions fonamentals de cosmobiologia i cosmosociologia (com vam comentar el mes de maig passat).

En el decurs de les darreres dècades ha esdevingut clar que els anomenats “nans vermells” o “nans roigs” són els estels més nombrosos de l’univers. És lògic que sigui així si pensem són els estels de menor temperatura superficial, els que tot just depassen el límit de massa necessari per tal que en el seu interior es produeixi la fusió de proti (1H). De manera relacionada són estels “de llarga vida”, en el sentit que durant molt i molt de temps poden sostindre, a baix ritme, aquesta fusió d’hidrogen. A més, en els darrers anys, la recerca exoplanetològica ha mostrat com una porció considerable de nans vermells disposen al seu voltant de sistemes planetaris, incloent-hi planetes rocallosos amb òrbites situades en la “zona temperada”. Missions com CARMENES s’adrecen específicament a la identificació d’“exoterres temperades” al voltant d’estels de tipus espectral M.

Val a dir, però, que dels estels més pregons del nostre cel, cap no és un “nan vermell”. Això té fàcil explicació: l’estel d’aquesta categoria més proper al nostre Sistema Solar, Proxima Centauri, situat a 4,2465 anys-llum té una magnitud aparent de +11,13, i no fou descobert fins el 1915. Però la “paradoxa del cel vermell” concretament fa referència al fet que el nostre planeta no orbiti precisament un “nan vermell”, un estel de tipus espectral M.

Per apreciar la “paradoxa del cel vermell” cal comptar en quina relació es troben els estels de tipus espectral central (F, G, K) respecte dels estels de tipus espectral M. Per cada estel de tipus F/G/K n’hi ha 5 estels de tipus M. A més, els estels de tipus M tenen una durada temporal en la seqüència principal 20 vegades superior a la dels estels de tipus F/G/K. Globalment, doncs, considerant freqüència i durada arribem a un valor de 1 a 100 (és a dir, que per cada milió d’anys d’estels de tipus F/G/K n’hi ha 100 milions d’anys de nans vermells de tipus M), la qual cosa entra en col·lisió amb el principi copernicà: formem part d’un sistema solar que té un estel de classe espectral rara.

Kipping contempla en el seu article (tramès del 30 de desembre del 2020 a PNAS, i acceptat el 19 d’abril) quatre possibles solucions a la “paradoxa del cel vermell”. La primera és la més senzilla, pensar que és qüestió d’atzar.

Si ens aturéssim en la qüestió de freqüències estel·lar, el tema de l’atzar no semblaria tan forçat: per cada estel de tipus solar n’hi ha cinc nans vermells. Però, com hem dit, aquesta proporció es dispara quan considerem que el Sol es troba en la seqüència principal durant vora 10.000 milions d’anys, mentre que un nan vermell pot durar en la seqüència principal 200.000 milions d’anys i, de fet, els nans vermells més petits (que són també els més abundants) poden resistir bilions d’anys abans de consumir la seva reserva d’hidrogen. Per acabar-ho d’adobar, la recerca exoplanetològica ens mostra que al voltant de nans vermells hi ha una abundància de planetes rocallosos, una fracció considerable d’ells situats en l’anomena “zona habitable circumstel·lar”. Dit d’una altra manera, la immensa majoria de planetes semblants a la Terra giren al voltant d’estels de tipus espectral M i no pas de tipus espectral G.

En valorar fins a quin punt és rar el nostre Sol cal tindre en compte altres aspectes. Kipping ho fa a través de la formulació d’una funció de la probabilitat bayesiana de trobar-se al voltant d’un estel F/G/K. Per exemple, si hom assum que el procés que va de la química prebiòtica al desenvolupament de vida intel·ligent és universalment ràpid i freqüent, llavors la probabilitat de trobar-se al voltant d’un estel F/G/K no és gaire menor que la trobar-se al voltant d’un estel M (1 contra 5). Ara bé, en la Terra, la química prebiòtica es donava ja fa més de 4.000 milions d’anys, mentre que la vida intel·ligent és cosa, a molt estirar, dels darrers centenars de milers d’anys. I si el procés que condueix a la vida intel·ligent és tan universal i tan ràpid, llavors hem de repetir la frase d’Enrico Fermi del 1950: “on són?”.

Si la durada típica entre la química prebiòtica i la vida intel·ligent fos de l’ordre de 4.000 milions d’anys (és a dir, com l’experimentada a la Terra), llavors els estels de tipus M jugarien amb avantatge per la llur major perdurabilitat. En aquest cas, la probabilitat de trobar-se al voltant d’un estel de tipus F/G/K s’acostaria a 1 contra 100. La resolució I que contempla Kipping és la d’acceptar aquesta xifra i assumir que el fet que el nostre Sol sigui un estel de tipus G és el resultat d’un rar atzar.

Segona resposta: una taxa atenuada d’aparició

La resolució II suposa una taxa atenuada d’aparició de vida intel·ligent en estels de tipus M. Si l’atenuació fos de dos ordres de magnitud, la paradoxa del cel vermell quedaria del tot aclarida. Entre els elements que afavoreixen aquesta atenuació hi ha les flamarades d’alta energia típiques dels nans vermells, que podrien tindre un efecte esterilitzant sobre les biosferes dels planetes que els envolten. També hom pot argüir la irregularitat de les emissions dels nans vermells, especialment en les primeres etapes, la qual cosa podria interferir en la formació d’oceans en planetes temperats. Una altra font d’atenuació, relacionada amb la “hipòtesi del Júpiter benefactor”, és la menor taxa de formació de planetes gegants al voltant de nans vermells, la qual cosa podria deixar desprotegits els planetes interiors davant de pluges cometàries o d’impactes asteroidals.

Tercera resposta: una finestra evolutiva truncada

La resolució III consistiria en assumir per als nans vermells una finestra d’habitabilitat truncada, especialment pel que fa a les fases inicials. Si aquest factor fos de 5, la paradoxa del cel vermell quedaria resolta.

Quarta resposta: una escassedat d’hàbitats adients

La resolució IV suposa que, en realitat, la freqüència de planetes rocallosos en zones temperades al voltant d’estels M no és tan elevada com al voltant d’estels F/G/K. De fet, els estudis exoplanetològics presenten un biaix cap als tipus d’estels M més massius (M0-M1), i bé podria ser que els estels M menys massiu i més abundants (M7-M8) tendissin a presentar menys tendència a la formació de sistemes planetaris.

Entre l’atzar i la necessitat

Les resolucions II-IV no són excloents entre elles, i podrien actuar conjuntament de filtres per a l’aparició de formes de vida intel·ligent al voltant de nans vermells. Els projectes de recerca exoplanetològica dels propers anys poden esclarir factors relacionats amb aquestes resolucions, particularment el relacionat amb l’abundància de planetes rocallosos temperats al voltant dels nans vermells més petits. La investigació sobre els propis nans vermells ajudarà també a caracteritzar l’evolució d’aquests estels.

Si els filtres associats a les resolucions II-IV reben el suport d’observacions, això alhora contribuirà a reforçar la idea que la resposta a la paradoxa de Fermi és que la formació de vida intel·ligent no és tan fàcil, i que requereix de planetes preferiblement al voltant d’estels més massius i més rars.

Lligams:

- Formulation and resolutions of the red sky paradox. David Kipping. PNAS 118: e2026808118 (2021).

- The Red Sky Paradox, al canal de Youtube de Cool Worlds.