Entre el asteroide Ryugu y el estudio de las enanas blancas

Noticias desde el espacio…

César Menor-Salván y Alberto Rebassa nos actualizan aquí, respectivamente, sobre información desde el espacio. Menos-Salván escribe: con el arribo de la sonda de la misión Hayabusa 2, las muestras recogidas en el asteroide Ryugu nos dan pistas de los compuestos orgánicos que se formaron y acumularon en los objetos del Sistema Solar y de su evolución. Alberto Rebassa, por su lado, nos dice: una gran fracción de las estrellas tipo solar en la Vía Láctea forma parte de sistemas binarios, es decir, un sistema formado por dos estrellas. 77 000 cuerpos de este tipo serán estudiados cuidadosamente a partir de 2024. ¿Qué conocimientos nos aportará este estudio?


El asteroide Ryugu y el origen de la vida

César Menor-Salván

El 8 de diciembre de 2020 fue un día de júbilo en Sagamihara (Kanagawa, Japón). Ese día llegaba al campus de la JAXA (Japanese Aerospace Exploration Agency) la cápsula de retorno con muestras del asteroide (162173) Ryugu, recogidas por la sonda de la misión Hayabusa 2.

No sólo era un gran éxito para la tecnología de la exploración espacial. Además, ponía a disposición de los científicos muestras tomadas directamente de la superficie de un asteroide en el espacio, estériles, sin alteraciones ni contaminación.

Esa es la diferencia con las muestras de meteoritos, que sufrieron el impacto en la Tierra y la exposición al ambiente (y a la manipulación por muchas personas). El entusiasmo estaba justificado también por parte de quienes estudiamos el origen de la vida y que nos preguntamos qué sorpresas alberga Ryugu al respecto.

Esta pregunta ha comenzado a tener respuesta, pues se publicaron los primeros análisis de compuestos orgánicos en las muestras de Ryugu. Y no decepcionan.

Aclaremos que no dan evidencias de que la vida llegara a la Tierra a bordo de meteoritos (panspermia). Tampoco nos ayudan (de momento) a entender mejor cómo fue su origen, ni prueban que los impactos de meteoritos fueran necesarios para ello. Pero los resultados publicados son una buena noticia para quienes tratan de entender la química prebiótica. Es decir, los procesos químicos que tuvieron lugar antes de que existiera la vida.

¿Por qué es interesante el asteroide Ryugu?

Una de las claves es el carbono. Ryugu es un asteoride del tipo C, rico en carbono y compuestos orgánicos. Estos objetos son abundantes en el cinturón de asteorides, una región situada entre Marte y Júpiter donde se encuentra, entre otros, el planeta enano Ceres.

Se piensa que los meteoritos del tipo condrita carbonácea, como los famosos meteoritos de Allende y Murchison, son fragmentos de asteroides tipo C. Estos asteroides se cuentan entre los objetos más antiguos del Sistema Solar.

La materia carbonosa que contienen es el resultado de un largo proceso químico, que se desarrolló desde la formación de materia orgánica en la nube molecular y la nebulosa protosolar, hasta la acreción de protoplanetas y la exposición del asteroide a millones de años de radiaciones cósmicas.

Las muestras recogidas en el asteroide Ryugu nos dan pistas de los compuestos orgánicos que se formaron y acumularon en los objetos del Sistema Solar y de su evolución. Además, nos informan acerca de los precursores químicos de los que dispuso la Tierra primitiva en la época prebiótica, a partir de los cuales, gracias al agua, ambiente y geología terrestres, pudo surgir la vida tras una compleja red de procesos químicos que llamamos evolución química.

El asteroide 162173-Ryugu visto por la nave Hayabusa 2 a 20 km de distancia de su superficie. Ryugu tiene un diámetro mayor de unos 870 metros y pesa 450 millones de toneladas. / Imagen: JAXA.

Los compuestos orgánicos del asteroide Ryugu

Las muestras del asteroide Ryugu analizadas contienen un 3,7 % de carbono. La mayor parte se encuentra en forma de un material no muy diferente al carbón. Pero también contiene carbono en forma de moléculas orgánicas que, por acción del agua, liberan aminoácidos, identificándose la glicina, alanina, beta-alanina y alfa-aminobutirato. En general, los compuestos identificados no sorprenden, y ahí precisamente radica su importancia.

Los aminoácidos son los componentes de las proteínas de los seres vivos, por lo que su presencia en el espacio siempre ha sido sugerente. El primer experimento realizado con el objetivo de entender cómo surgieron las primeras proteínas lo realizó el bioquímico alemán Walter Löb en 1913. En él, obtuvo abundante glicina mediante descargas eléctricas en una atmósfera primitiva simulada. Desde entonces sabemos que los aminoácidos se forman con facilidad a partir de gases simples. Por ello, pensamos que eran abundantes en el inventario químico del Sistema Solar.

En su célebre experimento de 1953, Stanley Miller identificó glicina, alanina, beta-alanina y alfa-aminobutirato en la mezcla orgánica que obtuvo. ¿Casualidad? No, pues los procesos químicos que dan lugar a la formación de aminoácidos son, posiblemente, robustos y universales.

En el camino hacia la vida en un planeta (como ocurrió en la Tierra y pudo pasar en Marte) es probable que se parta de un inventario químico similar, con aminoácidos y otros compuestos que conocemos bien. El asteroide Ryugu nos aporta una valiosa muestra de ese inventario.

Puede que las reglas de la química limiten los posibles exotismos y no sería sorprendente que estructuras proteicas similares a las que conocemos sean una característica universal. Las bioquímicas potenciales no son una cuestión de combinaciones o azar. Las reglas de la química se aplican no sólo al inventario de precursores, como el que muestra Ryugu.

En la evolución química hacia la vida tienen lugar procesos de selección molecular y compresión combinatoria que van a limitar la variedad de las composiciones y estructuras. Por ejemplo, dado un número de aminoácidos de partida, no surgen al azar proteínas de entre las estadísticamente posibles, sino que hay reglas que dirigen las estructuras resultantes. Si sumamos la universalidad de los precursores a las reglas de la evolución química, es posible que el día que la Humanidad descubra vida extraterrestre reconozcamos similitudes en su intimidad molecular.

El asteroide Ryugu dice que el esfuerzo realizado durante un siglo de química prebiótica tiene sentido. Muestra que, desde el laboratorio, podemos predecir la química de los objetos celestes. Poco a poco nos vamos acercando a la formulación de una teoría de la evolución química, que formará el primer (o el último) capítulo de los libros de Bioquímica.


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¿Qué nos revela el estudio de las enanas blancas acerca de nuestra galaxia?

Alberto Rebassa Mansergas

Las enanas blancas son la última fase más común de la vida de las estrellas. Se forman una vez que sus progenitoras, como nuestro Sol, han agotado todas sus fuentes de energía nuclear disponibles.

Su evolución sigue un proceso de enfriamiento que se entiende razonablemente bien. Esto permite que las enanas blancas se puedan usar como ‘relojes cósmicos’ fiables.

Dado que la población actual de estos objetos no ha tenido tiempo suficiente para enfriarse hasta ser indetectable, las enanas blancas proporcionan una estimación de la edad de nuestra galaxia.

Con aproximadamente la mitad de la masa del Sol y el tamaño de la Tierra, las enanas blancas son extremadamente densas. Por lo tanto, tienen propiedades diferentes a todo lo que encontramos en nuestro sistema solar.

Así, por ejemplo, si una enana blanca supera un determinado límite de masa, explota como una supernova termonuclear. Estas explosiones son uno de los eventos más brillantes en el universo y se han utilizado para probar su expansión acelerada.

Sin embargo, aunque hay varias teorías disponibles, no sabemos con certeza cómo una enana blanca puede aumentar su masa hasta explotar.

R Aquarii es una estrella simbiótica que se cree está compuesta por una enana blanca y una variable (gigante roja) llamada Mira, formando un sistema binario. Créditos de la imagen: X-ray: NASA.

Estrellas binarias: ¿por qué es interesante estudiarlas?

Una gran fracción de las estrellas tipo solar en la Vía Láctea forma parte de sistemas binarios, es decir, un sistema formado por dos estrellas.

Se espera que aproximadamente el 25 % de estas estrellas binarias estén lo suficientemente cerca como para iniciar procesos de transferencia de masa. Es decir, una de las estrellas le transfiere su masa a la otra. Este proceso suele ocurrir cuando la estrella más masiva se convierte en una gigante roja.

Debido a que la estrella compañera no puede acumular el material transferido por la gigante, el sistema evoluciona a través de lo que conocemos como fase de envoltura común. El núcleo de la estrella gigante y su compañera orbitan una alrededor de la otra dentro de una envoltura de material formado por las capas exteriores de la estrella gigante.

Las fuerzas de fricción entre las dos estrellas y la envoltura conducen a una contracción dramática de la separación orbital y, por lo tanto, a la liberación de energía orbital.

Una fracción de esta energía se deposita en la envoltura y eventualmente se usa para expulsarla. El resultado es, por lo tanto, un sistema binario formado por el núcleo de la estrella gigante (que luego se convierte en enana blanca) y su estrella compañera tipo solar separadas por una distancia mucho menor a la separación orbital inicial.

Este proceso es el encargado de formar estrellas binarias compactas formadas por una estrella tipo solar y una enana blanca. También se forman así otros objetos ‘exóticos’, como sistemas binarios en los que una componente es un agujero negro o una estrella de neutrones.

Sin embargo, todavía no entendemos del todo el proceso evolutivo de envoltura común; específicamente no sabemos cuánta energía orbital se usa para expulsar la envoltura.

El restante 75 % de las estrellas binarias que están lo suficientemente alejadas como para evitar procesos de transferencia de masa evolucionan como estrellas individuales. Hasta que finalmente una de ellas se convierten en una enana blanca.

Las separaciones orbitales de estos sistemas son similares a las iniciales. En consecuencia, las binarias formadas por una enana blanca y una estrella tipo solar pueden distinguirse entre dos tipos. Aquellas que evolucionaron por la fase de envoltura común y tienen ahora periodos orbitales muy cortos y aquellas que evolucionaron evitando procesos de transferencia de masa y tienen separaciones orbitales mucho más grandes.

En ambas poblaciones las enanas blancas se pueden usar como herramientas ideales para estudiar una amplia diversidad de problemas abiertos en la astronomía moderna.

Observaciones directas de las binarias compactas nos permiten medir periodos orbitales y parámetros estelares como masa y temperatura. Esta medición nos ayuda a analizar tanto la evolución pasada como la futura de estos sistemas, siguiendo modelos teóricos.

Por tanto, la comparación de las expectativas teóricas con los parámetros observados nos permite mejorar nuestro entendimiento tanto de la fase de envoltura común como dilucidar los posibles progenitores de las supernovas termonucleares.

En el caso de las binarias que evolucionaron sin transferencia de masa, las enanas blancas se pueden utilizar como ‘relojes cósmicos’ para conocer la edad de su estrella compañera.

Debido a esto, este tipo de sistema es ideal para estudiar temas diversos. Por ejemplo, la relación entre la edad y la metalicidad de la galaxia o las propiedades físicas y magnéticas de las estrellas tipo solar.

Sin embargo, en la actualidad contamos con observaciones espectroscópicas de unos pocos miles de sistemas binarios en los que una de las componentes es una enana blanca y la otra una estrellas tipo solar.

En un sistema estelar binario, la enana blanca más pequeña y pesada comenzará a extraer materia de la más grande y liviana, reduciéndose la distancia orbital. Finalmente, se acumula tanta materia en la enana blanca más masiva que puede terminar en una explosión termonuclear. Créditos de la imagen: NASA/CXC/M. Weiss.

Nada menos que 77 000 estrellas binarias serán estudiadas

Por este motivo, nuestro equipo de investigación preparó una propuesta para observar un gran número de estrellas binarias conteniendo una enana blanca con el telescopio 4MOST en Chile.

Después de un proceso de validación que duró un año se nos informó el pasado diciembre que nuestra propuesta fue aprobada y que se nos otorgó tiempo para observar 77 000 binarias.

Esperamos que a partir de 2024, cuando empiecen las observaciones, podamos analizar todas estas estrellas y mejorar nuestro entendimiento de esta gran variedad de problemas abiertos.

[César Menor-Salván, profesor Ayudante Doctor. Bioquímica y Astrobiología. Departamento de Biología de Sistemas, Universidad de Alcalá. / Alberto Rebassa Mansergas, actualmente Investigador Ramón y Cajal en la Universitat Politècnica de Catalunya./ Fuente: The Conversation, publicado bajo licencia Creative Commons.]

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