Separadas por miles de millones de kilómetros y formadas por entornos muy diferentes, Titán, la luna llena de contaminación de Saturno, y el planeta enano Plutón tienen, en el papel, poco en común.
Titán es un mundo geológicamente activo envuelto en una atmósfera más densa que la de la Tierra, cuyo paisaje está formado por mares de metano líquido y vastas dunas construidas a partir de partículas orgánicas que caen de sus cielos. Plutón, por el contrario, es un puesto de avanzada gélido con una atmósfera tenue que se cierne sobre una superficie helada y helada.
Sin embargo, las observaciones del Telescopio Espacial James Webb (JWST) han revelado que estos dos mundos dispares comparten una firma infrarroja idéntica e inexplicable en sus superficies, una señal de que puede estar desarrollándose una química similar en ambos mundos a pesar de sus marcadas diferencias, dicen los científicos.
Detallado en un nuevo estudio, la característica aparece exactamente en la misma longitud de onda infrarroja tanto en Titán como en Plutón, lo que indica que absorbe luz de manera idéntica en ambos mundos. La señal apunta a la presencia de un compuesto desconocido, o una familia de compuestos relacionados, que los científicos aún tienen que identificar.
“Es bastante misterioso”, dijo a Space.com Bruno Bézard, científico planetario del Observatorio de París que dirigió el descubrimiento. “No podemos decir qué es”.
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Persiguiendo la señal
Ézard detectó por primera vez la característica inexplicable mientras analizaba las observaciones de Titán de noviembre de 2022, cuando JWST recopiló luz infrarroja que se filtraba a través de la neblina en bandas de longitud de onda estrechas y muy específicas, lo que permitió a los científicos mirar directamente a través de la atmósfera que de otro modo sería opaca.
Para darle sentido a esta luz, los investigadores se basan en la espectroscopia, una técnica utilizada para identificar compuestos por las longitudes de onda de luz específicas que absorben. Debido a que cada molécula deja una huella espectral única que los telescopios pueden detectar, los astrónomos pueden identificar rutinariamente sustancias en todo el sistema solar y más allá, desde un simple hielo de agua hasta moléculas complejas.
Pero la característica recién detectada no coincide con ninguno de los espectros de biblioteca estándar catalogados hasta ahora, ni parece ser una casualidad del hardware, señala el estudio. Dos instrumentos JWST diferentes detectaron exactamente la misma característica de absorción: el espectrógrafo de infrarrojo cercano (NIRSpec) y el instrumento de infrarrojo medio (MIRI), descartando la posibilidad de un artefacto instrumental.
Después de no poder encontrar una coincidencia con las huellas espectrales catalogadas de los hielos planetarios más simples y comunes, Bézard se preguntó si otro mundo con una química atmosférica similar podría contener una pista. Se dirigió a su colega Emmanuel Lellouch del Observatorio de París, que había dirigido un programa JWST que observó a Plutón en mayo de 2023.
“Le pregunté: ‘¿Tienes también una firma? [on Pluto] ¿En esta longitud de onda exacta?'”, recordó Bézard en la entrevista con Space.com. “Así que miramos y descubrimos que está presente allí”.
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La verdad fundamental
No hay evidencia de que la molécula misteriosa sea una firma biológica, dijo Bézard. Más bien, probablemente refleje el tipo de química prebiótica que ha estado operando en el ambiente libre de oxígeno de Titán durante más de 4 mil millones de años.
Una posibilidad convincente es que pertenezca a una familia de hidrocarburos conocidos como alenos, que según el estudio son esencialmente los únicos compuestos orgánicos que se sabe que exhiben fuertes bandas de absorción dentro del mismo rango infrarrojo de 5 micrones que la señal misteriosa.
Pero la familia de los alenos contiene muchas variaciones complejas para las cuales aún no existen espectros completos, afirmó Bézard. Alternativamente, la firma podría pertenecer a una molécula conocida cuya huella espectral ha cambiado, potencialmente porque está mezclada con otros hielos planetarios que aún no han sido catalogados por completo.
“Sólo tenemos espectros para los más simples”, afirmó Bézard. “Pero es posible que dentro de esta familia se encuentren uno o varios compuestos que estén presentes juntos y contribuyan a dicha característica de absorción”.
Cualquiera que sea el compuesto que finalmente resulte ser, él y su equipo creen que se forma en la atmósfera a través de reacciones fotoquímicas antes de que finalmente “nieve” sobre la superficie.
A pesar de sus marcadas diferencias, tanto Titán como Plutón poseen atmósferas dominadas por nitrógeno y metano. Los científicos saben por observaciones de naves espaciales y simulaciones de laboratorio que en los tramos superiores de las atmósferas de los planetas, la luz solar ultravioleta rompe estas moléculas, desencadenando una cascada de fragmentos químicos altamente reactivos. Estos fragmentos luego se vuelven a ensamblar en compuestos orgánicos complejos, algunos de los cuales se condensan y vuelven a caer sobre la superficie, que es donde el JWST los detectó.
Un par de líneas de evidencia diferentes respaldan este gasoducto atmósfera-superficie. Primero, el equipo analizó cómo se comportaba la señal en el disco de Titán. Mientras el JWST escaneaba Titán desde el centro de su cara circular hacia su borde exterior, o extremidad, la misteriosa señal se debilitó constantemente, señala el estudio.
“Esto es lo que se espera si proviene de la superficie”, afirma Bézard.
Debido a la geometría tridimensional al mirar una esfera, una señal proveniente de una superficie plana aparecerá más fuerte en el centro y se hará más débil cerca del borde, donde el ángulo de visión a través de la atmósfera se vuelve más largo y oscurecido. Este rasgo específico de atenuación no fue compartido por el monóxido de carbono atmosférico que el equipo comprobó, que permaneció esencialmente sin cambios desde el centro hasta la extremidad, dijo Bézard, lo que ayudó al equipo a inferir que esta misteriosa molécula probablemente reside en el suelo.
Plutón ofreció una línea de evidencia independiente para respaldar esta teoría de la superficie. Su atmósfera cercana al vacío es físicamente demasiado delgada y escasa para generar una característica de absorción de la profundidad observada, dijo Bézard, dejando la superficie sólida del planeta enano como la única fuente plausible de la firma profunda.
Para probar más a fondo su hipótesis del origen atmosférico, el equipo estudió las observaciones del JWST de la luna Ganímedes de Júpiter. Debido a que Ganímedes carece de una atmósfera de nitrógeno y metano, no puede hacer funcionar el mismo motor fotoquímico que Titán y Plutón. Efectivamente, los investigadores no encontraron rastros de la característica misteriosa, lo que brinda apoyo adicional a la teoría de que el compuesto está vinculado de manera única a la química de los cielos de nitrógeno y metano.
Mapeando la superficie de Titán
Es posible que en los próximos meses llegue más claridad. Actualmente, los investigadores están analizando observaciones más recientes del JWST que brindan una vista más completa de Titán a medida que gira. Los datos permitirán al equipo mapear la misteriosa firma infrarroja en la superficie de la luna y determinar si está asociada con características geológicas específicas, como los vastos campos de dunas ricos en materia orgánica de Titán, que se reponen continuamente mediante una lenta llovizna de partículas complejas producidas en la atmósfera, dijo Bézard.
Es posible que haya que esperar a que llegue la misión Dragonfly de la NASA, un helicóptero del tamaño de un automóvil que se espera que se lance en 2028 y llegue a Titán a mediados de la década de 2030.
Aunque Dragonfly no lleva un espectrómetro infrarrojo para replicar las mediciones de luz del JWST, su espectrómetro de masas a bordo le permitirá “probar” moléculas orgánicas en las diversas áreas geológicamente interesantes a las que volará la nave espacial. Al revelar qué compuestos están realmente presentes en la superficie de Titán, la misión podría brindar a los científicos una lista corta de candidatos para replicar en laboratorios en la Tierra y ver si coinciden con las características de la misteriosa molécula, dijo Bézard.
“Siempre es emocionante descubrir algo que no se había visto antes”, dijo Bézard. “Es realmente la parte más agradable de nuestro trabajo”.
El nuevo estudio fue aceptado para su publicación en la revista Astronomy & Astrophysics.