Pocas preguntas son más intrigantes que la posibilidad de vida en otras partes del universo. Pero dado que los extraterrestres no visitan nuestro planeta y no iremos a sus hogares lejanos en el corto plazo, la evidencia indirecta de la existencia de la biología en mundos distantes es nuestra mejor apuesta para obtener respuestas.
El problema es que los planetas y las lunas no sólo son mucho más pequeños, sino también mucho más tenues que sus estrellas anfitrionas, lo que hace que su observación directa sea extremadamente desafiante. Afortunadamente, los astrónomos creativos han métodos de observación ideados que detecta planetas orbitando estrellas distantes en nuestra costa cósmica y, sorprendentemente, para obtener la composición química aproximada de sus atmósferas. Ahí es donde entra la vida: si existe vida a escala global en un planeta, puede dejar señales en la atmósfera. Al igual que las huellas dactilares, diferentes tipos de actividad biológica dejarán huellas atmosféricas específicas. Esto lo vemos, por ejemplo, con la abundancia de oxígeno en nuestra atmósfera producida por la fotosíntesis. El desafío para nosotros es descifrar el mensaje que deja la vida en atmósferas extraterrestres.
Para ello se necesitarán telescopios potentes, pero también nuevas formas de pensar sobre cómo decodificar la información oculta en la luz que capturan de mundos alienígenas. Proponemos que la teoría de la información en la que ahora confiamos para separar señales del ruido en las comunicaciones modernas ofrece herramientas que los astrónomos pueden utilizar para detectar signos de actividad biológica en otros mundos. El enfoque se produce en dos pasos: después de capturar la luz del exoplaneta, utilizamos la teoría de la información para buscar sustancias químicas asociadas con la presencia de vida. Lo que en las comunicaciones son letras de un alfabeto que forman una frase, en astrobiología serán sustancias químicas específicas que existen en la atmósfera de un mundo lejano.
Hoy en día, la mejor manera de inferir la composición química de un exoplaneta es espectroscopia de tránsito: Cuando un planeta pasa frente a su estrella, visto desde la Tierra, la atmósfera del planeta absorbe parte de su luz estelar. El espectro de absorción resultante se parece un poco al perfil de una cadena montañosa irregular, con los valles correspondientes a diferentes elementos químicos que absorben la luz proveniente de la estrella. De esto podemos deducir en principio si allí existe algún tipo de actividad biológica.
Si sabemos buscarlo, claro está. Las cosas suenan muy prometedoras, hasta que empezamos a hacer preguntas más difíciles. Para empezar, asumimos que estas biofirmas son para la vida tal como la conocemos aquí en la Tierra. Quizás este sea un buen punto de partida, pero ¿cómo podemos estar seguros de que esto es lo que encontraremos? Aun así, ¿qué tipo de biofirmas atmosféricas deberíamos buscar? Además, si buscamos algún tipo de planeta parecido a la Tierra, ¿en qué etapa de su historia evolutiva lo estamos detectando? La vida ha cambiado drásticamente la atmósfera de la Tierra desde que surgió por primera vez hace 3.500 millones de años. Un astrónomo extraterrestre que nos observara en diferentes momentos geológicos notaría cambios radicales. En ese lapso de tiempo, la vida ha aumentado enormemente el oxígeno y el ozono atmosféricos de la Tierra, además de provocar fluctuaciones en el metano. Finalmente, las estrellas anfitrionas tienen varios tamaños y temperaturas y se transformarán a lo largo de su existencia. Las diferentes estrellas anfitrionas (desde las amarillas calientes hasta las rojas más frías) en diferentes etapas de su ciclo de vida afectan a sus planetas de manera diferente.
Por todas estas razones, necesitamos invocar múltiples métodos para buscar señales de vida en la atmósfera de otros mundos. En un artículo reciente, propusimos la teoría de la información—una metodología para decodificar señales de ruido en transmisiones de datos de cualquier tipo—como una de esas herramientas clave. El análisis comparó los datos espectrales de exoplanetas simulados con los de nuestra propia Tierra en una amplia gama de contextos astrofísicos y planetarios: en diferentes etapas de su evolución y orbitando alrededor de diferentes estrellas anfitrionas. Los resultados sugieren que nuestra herramienta puede analizar de manera confiable datos reales de observaciones actuales y futuras para buscar firmas biológicas extraterrestres. La medida que adaptamos de la teoría de la información, conocida como la divergencia de Jensen-Shannon, compara directamente dos espectros de absorción cualesquiera y cuantifica qué tan parecidos (o no) son. Este “entropía configuracionalEsta medida es un excelente discriminador de variaciones sutiles en los patrones espectrales de un planeta. Un valor pequeño significa que los dos mundos comparados tienen composiciones atmosféricas generales muy similares; uno grande significa que son bastante diferentes. Luego utilizamos una herramienta de diagnóstico más precisa para calcular la entropía configuracional para una selección de longitudes de onda de luz específicas, las regiones del espectro electromagnético donde las “firmas espectrales” (los valles en la cadena montañosa de ciertas sustancias) se ven más fácilmente. Con esto podemos Concéntrese en compuestos específicoscomo CO2 o metano, o dos compuestos que aparecen juntos, como el metano y el ozono, y comparar directamente sus abundancias en los dos mundos.
Para nosotros, un exoplaneta es un “análogo de la tierra”no sólo cuando tiene un radio y una masa cercanos a los de la Tierra, sino también cuando su espectro de absorción está muy cerca en el espacio de información del de la Tierra a lo largo de los miles de millones de años de historia de nuestro planeta. Esto amplía el concepto de “Tierra como”ampliamente utilizado en astrobiología para mirar más allá del estado actual de nuestra biosfera, hacia su pasado distante (y posible futuro), cuando las huellas globales de la vida pueden ser muy diferentes. Consideramos la Tierra durante tres etapas de su evolución, desde justo después del Gran Evento de Oxidación hace aproximadamente dos mil millones de años, con casi nada de oxígeno en la atmósfera y pequeñas cantidades en los océanos y las rocas del fondo marino, hasta hace 800 millones de años, cuando el oxígeno estaba en aproximadamente 10 por ciento hasta, finalmente, cantidades modernas del 21 por ciento.
La medida de información que proponemos puede discriminar entre mundos en función de sus firmas espectroscópicas. Aún debemos tener cuidado, porque la edad de un planeta y su tipo de estrella aún pueden confundir nuestra búsqueda de biofirmas que coincidan estrechamente. Para identificar con seguridad análogos de la Tierra necesitamos encontrar exoplanetas que orbiten estrellas como nuestro sol. Pero esperamos que la vida sea más creativa de lo que suponemos actualmente según lo que vemos en la Tierra.
Cuando comparamos las firmas espectrales de compuestos químicos específicos de la Tierra moderna con las de planetas similares a la Tierra que orbitan alrededor de diferentes estrellas anfitrionas, encontramos que nuestro método es muy adecuado para identificar qué podría atribuirse a la actividad biológica y cómo cambia a lo largo de los eones. La precisión depende, por supuesto, de cuán limpios (o de “bajo ruido”) sean los espectros, pero incluso dentro de Capacidades de JWST, Los resultados son muy prometedores. Además, nuestra medida de información se puede aplicar como base de comparación a cualquier tipo de mundo, no sólo a los análogos de la Tierra. Esto significa que posiblemente podríamos identificar variedades verdaderamente extrañas de actividad biológica que no se ajustan a lo que vemos en la Tierra, por ejemplo, señalando su química atmosférica asociada como algo inusual. Esa apertura y flexibilidad son vitales en nuestra búsqueda de la vida tal como la conocemos y de la vida tal como no la conocemos.
Puede que todavía no sepamos si estamos solos en el cosmos, pero si hay vida escondida en otro lugar, deberíamos poder encontrarla pronto.
Este es un artículo de opinión y análisis, y las opiniones expresadas por el autor o autores no son necesariamente las de Científico americano.