El día que detectamos evidencia de vida inteligente en un planeta

Fotografía de la Tierra tomada por la sonda Galileo. Crédito: NASA/JPL.

Era diciembre de 1990 cuando la sonda Galileo de la NASA sobrevoló la Tierra para realizar una maniobra de asistencia gravitatoria en su camino a Júpiter. Carl Sagan y sus colaboradores notaron que el sobrevuelo representaba una oportunidad ideal para descubrir qué tan difícil sería detectar vida si existiera en un planeta.

Hasta ese momento, una serie de sondas había sobrevolado una cantidad de cuerpos (planetas, satélites, cometas y asteroides) en el Sistema Solar sin encontrar evidencia de vida. En el caso de la Luna, Marte y Venus, estas conclusiones habían sido confirmadas por módulos de aterrizaje y orbitadores.

Galileo fue una misión que constaba de un orbitador y una sonda que debía llegar a Júpiter en diciembre de 1995. Pero, como muchas misiones, no podía ser enviada directamente a su destino, sino que debía llevar a cabo dos maniobras de asistencia gravitatoria; una en la Tierra y otra en Venus. Los instrumentos de Galileo no fueron diseñados para una misión de encuentro con la Tierra, así que se organizó un experimento de control adecuado: una búsqueda de vida en la Tierra con una sonda planetaria típica de esa época.

El máximo acercamiento a la Tierra se produjo el 8 de diciembre de 1990 a 950 km sobre el mar Caribe. La sonda se aproximó desde el lado nocturno del planeta, por lo que todos los datos de la luz reflejada fueron adquiridos después del encuentro. Los datos relevantes para la búsqueda de vida fueron obtenidos con el espectrómetro de mapeo en infrarrojo cercano (NIMS), el espectrómetro ultravioleta (UVS), el sistema de imágenes de estado sólido (SSI) y el espectrómetro de ondas de plasma (PWS). Debido a la alta velocidad del encuentro, la mayoría de los datos de NIMS y SSI fueron obtenidos de 2 horas a 3,5 días después del acercamiento máximo.

En adelante, todas las conclusiones fueron derivadas solo con base en los datos obtenidos por Galileo, sin asumir la existencia de vida en la Tierra y descartando tantas explicaciones alternativas como fuere posible.

Química

Las mediciones del instrumento NIMS revelan la presencia de agua en varias formas. Los datos espectrales y de temperatura (alrededor de -30 °C) de la Antártida son indicativos de la presencia de hielo, con cristales de nieve de entre 50 y 200 micrómetros (μm) de tamaño. El hielo y la nieve cubren una superficie de escala continental en el Polo Sur.

A latitudes mayores, las temperaturas son casi uniformes y más altas, sobre el punto de fusión del agua; en particular las temperaturas medidas son de unos -3 °C en latitudes australes altas, aumentando hasta entre 8 y 18 °C en latitudes medias. El albedo^[1] de estas áreas es de ~4%, mucho menor que el albedo de la nieve, nubes o superficies rocosas, pero es consistente con la cantidad de luz reflejada por superficies líquidas como el agua (H₂O). Muchas imágenes de NIMS muestran evidencia de la existencia de grandes áreas macroscópicamente lisas y homogéneas (es decir, no granular) y explicado con mayor facilidad por la presencia de superficies líquidas de dimensiones oceánicas. Además, se encontró evidencia de H₂O gaseoso sobre todo el planeta. La alta humedad observada en todo el planeta, junto con los hallazgos ya mencionados, implica que los océanos están compuestos por agua líquida.

La Tierra vista por la nave Galileo mientras se alejaba del planeta. Crédito: NASA/JPL.

Por otro lado, los datos espectrales muestran que la temperatura de equilibrio del planeta es de solo alrededor de -20 °C, así que con un efecto invernadero modesto elevaría tanto la temperatura que el agua podría existir en sus tres estados.

Los espectros en longitudes de onda visible e infrarroja de la Tierra sobre una región oceánica libre de nubes muestran una gran abundancia de O₂ que es única entre todos los planetas del Sistema Solar. El oxígeno puede ser generado por la fotodisociación^[2] del agua por luz ultravioleta (UV), pero ¿se puede comprender la acumulación de tanto O₂ a lo largo del tiempo a escalas geológicas?

Venus y Marte –donde el vapor de agua atmosférico es fotodisociado por UV- muestran abundancias muy bajas de O₂, a pesar de las grandes cantidades de agua perdidas por la fotodisociación y el escape atmosférico de H. Pero una comprensión real de la abundancia de O₂ de la Tierra requiere conocer el estado de oxidación de la superficie, ritmo de erosión de la superficie, y temperaturas de la tropopausa, mesopausa y la exósfera. Galileo no proporcionó estos datos, pero incluso si se tuvieran no se podría estar seguro que las condiciones actuales son típicas en la historia de la Tierra. De acuerdo a límites establecidos para la tasa de generación de O₂ y suponiendo que hubiese una oxidación significativa de la corteza terrestre, los tiempos necesarios para producir la abundancia observada serían enormes. Pero la inexistencia de cráteres de impacto visibles en las imágenes de Galileo, sumado al viento y agua generalizados de la Tierra, sugiere una exposición continua de regolito oxidable. Como consecuencia, la oxidación de la corteza de la Tierra debería ser más extensa que en Venus y Marte y, por lo tanto, debería existir menos O₂ terrestre, pero aun así existe mucho menos O₂ atmosférico en Venus y Marte. De esta forma, las observaciones de Galileo del O₂ terrestre hacen que en el equipo científico surjan sospechas acerca de la presencia de vida que lo genere. Si un modelado detallado mostrase que el UV es insuficiente, parece necesario un proceso por el cual los fotones de luz visible fueran utilizados en la fotodisociación del H₂O; el parecer, solo los sistemas biológicos pueden lograrlo (mediante fotosíntesis).

Galileo también detectó la presencia de dióxido de carbono (CO₂), metano (CH₄), óxido nitroso (N₂O) y ozono (O₃). Todos son gases de efecto invernadero; junto al vapor de agua dan cuenta de la discrepancia entre el equilibrio y las temperaturas medidas en la superficie del planeta.

Una consecuencia de la alta abundancia de oxígeno es la existencia de una capa de ozono en la estratósfera que es opaca en ciertos rangos del ultravioleta. Los datos de los instrumentos UVS y NIMS de Galileo confirman que existe O₃ en el espectro de la Tierra, pero no de Venus. El desequilibrio de O₃ no es un signo de vida por sí solo, pero se relaciona (de forma aproximada) logarítmicamente con la abundancia de O₂, así que la cantidad de O₃ observada implica una abundancia importante de O₂ para la vida. Gracias al ozono, esta hipotética vida no solo sería posible en los océanos (donde podría protegerse de la radiación UV), sino también en la tierra en el caso de que estuviera formada por los grupos orgánicos C-C, C-H, C-O y C-N.

Si bien el paso desde O₂ a O₃ es bien conocido y no se considera como evidencia de vida, el caso del metano (CH₄) es diferente. El metano es oxidado rápidamente convirtiéndose en CO₂ y H₂O, y en equilibrio termodinámico no debería existir una sola molécula de metano en la atmósfera de la Tierra, pero la disparidad entre las observaciones y el equilibrio termodinámico es enorme, por lo que debe existir algún mecanismo que reponga el CH₄ en la atmósfera con tal rapidez que las abundancias antes de la oxidación puedan mantenerse constantes. Se ha sugerido durante mucho tiempo que un desequilibrio extremo de la abundancia de un gas reducido como el CH₄ en una atmósfera rica en O₂ podría ser evidencia de vida en ese planeta. Si bien existen otros medios para reponer el metano de la atmósfera de la Tierra (por ejemplo, la descomposición de materia orgánica prebiológica), parece poco posible que sean capaces de inyectar cantidades tan grandes como las observadas^[3]. Por lo tanto, es muy posible que la vida sea la responsable de la reposición del metano atmosférico.

La presencia de óxido nitroso (N₂O) en la atmósfera con una alta abundancia en desequilibrio es otro indicador de procesos biológicos. El N₂O se pierde parcialmente por la fotodisociación, con un tiempo de vida en la atmósfera de unos 50 años. Aunque hay formas no biológicas de producir óxido nitroso (por ejemplo, los relámpagos), no inyectan grandes cantidades en la atmósfera^[4].

Imágenes

Imagen compuesta de la Tierra en color casi natural tomada por Galileo.

Una imagen típica de la Tierra tomada por Galileo muestra continentes, océanos, el casquete polar antártico y una configuración de nubes altamente variable en el tiempo. Las seis bandas usadas en las imágenes de SSI pueden ser combinadas de distintas maneras de forma que muestren distinta información. De las muchas combinaciones, tres eran las que exhibían información más relevante. En la primera combinación (a), que da una vista en color más natural, se ven grandes extensiones de océano y litorales, y un análisis cuidadoso muestra una región de reflexión especular en el océano, pero no en la tierra. Aunque las nubes cubren gran parte de la superficie, en las zonas despejadas se ve un contraste de albedo extremo. Las áreas más claras tienen un color compatible con suelo mineral, mientras que en las áreas más oscuras se percibe un tinte verdoso.

Imagen compuesta de la Tierra en color falso tomada por Galileo.

La segunda categoría (b) proporciona imágenes en color falso que revelan dos tipos de contraste espectral. En primer lugar, el color cian del casquete polar confirma que está compuesto por hielo de agua. Segundo, algunas áreas muestran características que son incompatibles con rocas o suelos secos o hidratados que se podría esperar en la superficie de un planeta terrestre. Al usar otras bandas solo se profundiza el misterio. El espectro de un área de tierra A es consistente con una serie de rocas oscuras o suelos minerales; el de un área B, aunque es común en la superficie, ninguna superficie ígnea, alterada por un proceso ígneo, o sedimentaria que sea común posee dicho espectro; el de un área C es inconsistente con todos los tipos probables de roca y suelo, y posiblemente está asociado con pigmentos fotosintéticos.

Imagen compuesta de la Tierra en color falso tomada por Galileo.

La tercera combinación (c) solamente separa la roca y suelo (en tonos grises) de las áreas que tienen espectros poco usuales, posiblemente indicativo de pigmentos fotosintéticos de vida autotrófica terrestre. En esta imagen podemos ver las áreas A, B y C mencionadas anteriormente.

Dado que los espectros ya mencionados son inconsistentes con cualquier tipo de roca o suelo conocido en los planetas terrestres con superficies de hierro y silicatos, con o sin alteración debida al agua, se debe considerar otros materiales poco usuales. Surge entonces la posibilidad de que la fuerte absorción de la región roja del espectro se deba a la captación de luz de un pigmento en un sistema fotosintético; esto sería una posible explicación para la gran abundancia de O₂ atmosférico, como se indicó anteriormente. La vida vegetal debería estar bien extendida de modo que pudiera sostener la abundancia de O₂ para enfrentar la pérdida por oxidación de la corteza. Áreas importantes de la superficie parecen estar cubiertas por este pigmento. La fotosíntesis también puede ser llevada a cabo por formas de vida oceánicas, pero el agua hace que sea difícil detectar sus pigmentos.

Morfología y resolución topográfica

Durante el sobrevuelo, Galileo obtuvo imágenes con resolución de 1-2 km por píxel. Se obtuvo un mosaico de Australia de unos 2.900 por 4.000 km, cubriendo 1 km por píxel, y un mosaico de la Antártida cubriendo 2 km por píxel.

Una secuencia posterior de imágenes de 26 km por píxel mostró que Australia está dominada por grandes desiertos centrales y occidentales, pero con áreas orientales y en las costas del norte que podrían estar dominadas por vida vegetal. La misma secuencia mostró que la Antártida está cubierta casi completamente por hielo de agua.

Una revisión del mosaico de 1 km por píxel de Australia no muestra evidencia de patrones geométricos en la superficie ni de otros indicios convincentes de artefactos de una civilización tecnológica. Sin embargo, en las regiones costeras australianas se encontró albedos que pueden asociarse con agricultura, aunque por sí solo esto no es evidencia bastante fuerte como para afirmar que existe vida inteligente. Con una resolución mejor que 0,1 km por píxel hubiese sido posible detectar con facilidad signos de una civilización con el nivel de desarrollo de la humanidad.

Emisión de radio

Se ha predicho que las transmisiones de televisión y radar podrían generar un espectro de emisión de radio tan fuerte que la civilización emisora podría alertar de su existencia a distancias interestelares. En un sobrevuelo al planeta, las emisiones de radio de una civilización tecnológica serían detectables con una frecuencia mayor a 5 MHz para poder diferenciarlas del plasma.

Durante el sobrevuelo de Galileo, el instrumento de plasma detectó señales de radio, posiblemente escapando a través de la ionósfera del lado nocturno desde transmisores en tierra. Las señales fueron detectadas solo durante el acercamiento de la nave al planeta por el lado nocturno, y no mientras se alejaba por el lado diurno. De todas las mediciones científicas de Galileo, estas señales son la única prueba de que existe vida inteligente en la Tierra.

Estudios previos habían demostrado que señales de 4-5 MHz correspondían claramente a señales originadas por transmisores en tierra, aunque se habría llegado a una conclusión similar si se hubiese utilizado solamente los datos de Galileo. El rápido aumento en la intensidad de la señal a medida que la sonda se acercaba a la Tierra indica claramente un origen cercano a (o en) la Tierra. El hecho de que solo fueran observadas desde el lado nocturno (donde las condiciones de la ionósfera permiten el escape de señales) y no desde el diurno, indica que las señales provenían desde una región bajo la ionósfera.

Espectrograma de frecuencia/tiempo de las señales de radio detectadas por el instrumento de ondas de plasma de Galileo. Las intensidades más bajas son representadas en azul y las más altas en rojo. La imagen muestra una serie de emisiones de radio que son conocidas (a), incluyendo una “radiación auroral kilométrica” o AKR. Además, se muestra una emisión modulada con una escala de tiempo expandida (b). (UT, tiempo universal; R, distancia de galileo a la Tierra medida en radios terrestres; LT, hora local.)

Las señales están confinadas principalmente a dos o tres canales distintos cerca de la parte superior del espectrograma. El hecho de que las frecuencias centrales de estas señales permanezcan constantes durante horas, sugiere con fuerza un origen artificial. Además, se detectó un pulso de modulación de amplitud (o amplitud modulada, AM) con un patrón complejo. Aunque la resolución temporal del instrumento es inadecuada para decodificar la modulación, tales patrones nunca son observados en emisiones de radio naturales e implica la transmisión de información. Basándonos en estas observaciones, es muy probable que las señales sean generadas por una forma de vida inteligente en la Tierra.

Conclusiones

A partir del sobrevuelo de Galileo, un observador que no tiene un gran conocimiento de la Tierra podría sacar las siguientes conclusiones:

• El planeta está cubierto por grandes cantidades de agua en forma de vapor, nieve, hielo y océanos.
• Si existiera vida, es posible que esté basada en el agua.
• Hay tanto O₂ en la atmósfera que hace poco posible la opción de que sea generado por la fotodisociación del vapor de agua debido a la luz UV. Una explicación alternativa es la fotodisociación biológica de agua como un primer paso en el proceso de fotosíntesis.
• En la superficie existe un pigmento que podría realizar fotodisociación, y que no corresponde a un mineral.
• Solo procesos biológicos son capaces de generar la disparidad de metano observada en la atmósfera.
• Queda abierta la pregunta de qué tan plausible es un mundo cubierto de organismos fotosintéticos, que usan H₂O y liberan O₂ a la atmósfera, para observadores de un mundo diferente.
• Se fotografió con una resolución de pocos kilómetros Australia y la Antártida, sin encontrarse signos inequívocos de una civilización.
• Las características de una transmisión de radio detectada sugiere fuertemente la presencia de una civilización tecnológica.
• Aunque las evidencias encontradas por la nave Galileo también hubiesen sido descubiertas por una sonda que visitara la Tierra hace 2.000 millones de años, las señales de radio solo podrían ser detectadas desde el siglo XX.

La identificación de moléculas fuera de equilibrio termodinámico son inexplicables por procesos no biológicos; pigmentos en grandes áreas que no pueden ser comprendidos mediante procesos geoquímicos; y una emisión de radio modulada, son en conjunto evidencia de vida en la Tierra sin tomar ninguna suposición previa sobre su química.

Así es como fue que un día, gracias a Carl Sagan y sus colaboradores, encontramos fuerte evidencia de la existencia de una civilización en un planeta: la Tierra.

Quizá en un futuro muy lejano de la exploración espacial, el ser humano querrá enviar una sonda a explorar planetas extrasolares en busca de signos de vida o de una civilización. Este estudio demuestra que es posible detectar vida sin tener un conocimiento previo de la química existente en un planeta.

El estudio “A search for life on Earth from the Galileo spacecraft” fue publicado el 21 de octubre de 1993 en la revista Nature.

Notas:
[1] El albedo es el porcentaje de radiación que una superficie refleja respecto a la radiación que incide sobre la misma. Las superficies claras tienen valores de albedo superiores a las oscuras. El albedo medio de la Tierra es del 37-39% de la radiación que proviene del Sol.
[2] En la fotodisociación del agua un fotón golpea la molécula de agua (H₂O) y transfiere energía a la molécula. Esta energía adicional rompe uno de los enlaces entre el átomo de oxígeno y uno de los átomos de hidrógeno. El átomo de hidrógeno (H) se aleja de lo que queda de la molécula (OH).
[3] La contribución de los volcanes, fumarolas y sismos al CH₄ atmosférico es insignificante. Aproximadamente la mitad de la producción anual de CH₄ corresponde a sistemas naturales (como bacterias) y la otra mitad se debe a la acción del hombre (como los cultivos y la ganadería); todas son fuentes biológicas, incluyendo aquellas derivadas de los combustibles fósiles.
[4] La mayor fuente de N₂O en la Tierra son las bacterias y algas.