Adaptación fisiológica de la vida en un planeta que orbita alrededor de una gigante roja.

Digamos que existe un exoplaneta similar a la Tierra que orbita una estrella normal, con un proceso similar respecto a la evolución de la vida en la Tierra, pero la estrella se convirtió en una gigante roja durante dicha evolución. Suponiendo que el exoplaneta estuviera en la zona de Ricitos de Oro durante y después de la transición de estrella normal a gigante roja y que la gigante roja todavía tuviera una vida útil de mil millones de años después de la transición...

¿Cómo se adaptaría la vida para aprovechar esto si no hubiera organismos inteligentes?

¿Estaría el planeta dominado por plantas fotosintéticas debido a la mayor eficiencia de las tasas de conversión de energía solar?

¿Las mutaciones se volverían más comunes debido al aumento de la radiación solar?

Si el planeta tuviera una velocidad de rotación lenta, ¿podrían las plantas desarrollar un nuevo medio de almacenamiento para la energía solar cuando se les deja sin una fuente constante?

¿Los animales tenderían a ser de sangre fría y/o desarrollarían rasgos fotosintéticos, posiblemente parecidos a la síntesis de vitamina D en humanos?

Me alegra ver que has investigado sobre las estrellas gigantes rojas que duran mil millones de años. Es posible que el exoplaneta permanezca dentro de su zona Goldilocks tanto antes como después de su transición a la gigante roja. Si solo estuviera en la zona habitable durante y después de la transición, sería extremadamente frío. Un exoplaneta bola de nieve. No es bueno para la evolución de la vida. Mich depende de cómo se mueva la zona Goldilocks a medida que pasa de una estrella normal a una gigante roja. Deberías aclarar eso en tu pregunta. Esta es una pregunta interesante, pero es posible que deba enfocarla más.
Una cosa que debe tener en cuenta es que una estrella roja produce menos UV y energía que una estrella amarilla. Las plantas se oscurecerán intentando absorber la mayor cantidad de energía posible, y la débil radiación solar no penetrará muy profundamente en el agua.
@2a4android Quizás la órbita del planeta comenzó a moverse a medida que la estrella crecía. Hemos visto planetas errantes en otros sistemas, y los físicos creen que podría haber ocurrido incluso en los planetas exteriores en los primeros años del sistema solar. El aumento del viento solar durante miles de millones de años definitivamente podría elevar la órbita de un planeta, con otros planetas dando una patada gravitatoria adicional a medida que se mueven también. Y si tal planeta se moviera junto con su zona habitable, podría tener vida miles de millones de años más antigua que nosotros.
Ignoremos las inverosimilitudes con respecto a la formación de la vida, antes de que la estrella se convirtiera en una gigante roja. Si la estrella era similar a Betelguese, estaba a una distancia relativa del exoplaneta donde podría mantener la temperatura de la superficie del planeta en alrededor de 30 grados centígrados. Según esto , la estrella tiene unos 3000 kelvin, por lo que si estuviera más cerca del planeta, ¿podría mantener una temperatura superficial cálida?
Dado que las gigantes rojas tienen aproximadamente la mitad de la temperatura de nuestro sol, suponiendo que su masa solar fuera 0,5 de la de nuestro sol también, ¿habría un aumento en la gravedad o el planeta podría orbitar normalmente? La proximidad más cercana parece cancelar la falta de temperatura, y la reducción a la mitad de la masa cancelaría además el aumento de la gravedad de la proximidad más cercana.
@DanClarke Las imágenes 10, 11 y 12 respaldan su declaración sobre el color de las hojas, sin embargo, muchas de estas declaraciones parecen indicar que las plantas no absorben la luz ultravioleta o, al menos, no la usan para la fotosíntesis. He investigado esas declaraciones, aunque no puedo encontrar ninguna información sobre si las plantas realmente absorben los rayos UV. Parece como si usaran longitudes de onda de luz roja y azul, ya que son las más abundantemente emitidas por nuestro sol.
@Lutro, a las plantas no les importarán mucho los rayos UV, pero la razón por la que las plantas absorben la mayor cantidad posible de las diferentes longitudes de onda es la baja producción de energía. Una estrella roja fría no produce tanta energía como una estrella amarilla o azul, por lo que las plantas no pueden ser exigentes.

Respuestas (4)

Temperatura y luminosidad

Comencemos con algunos cálculos. En aras del argumento, supondré que estamos hablando de un planeta idéntico a la Tierra que orbita alrededor de una estrella idéntica al Sol. Para ser lo más generoso posible, asumiré que esta gigante roja se expande a solo alrededor de ∼ 200 radios solares, apenas 0,93 UA, y se enfría a unos 2800 Kelvin. Por lo tanto, su radio ha crecido por un factor de 200 y su temperatura ha bajado a la mitad de su valor en la secuencia principal. Ahora, podemos aproximarnos a la estrella como un cuerpo negro, lo que significa que tiene una luminosidad descrita por

L ∝ R 2 T 4
según la ley de Stefan-Boltzmann . Por lo tanto, la gigante roja tendrá una luminosidad ∼ 2500 veces la del Sol, cerca del extremo inferior de los modelos para el futuro de nuestro Sol. La temperatura efectiva de un planeta escala como
T mi F F ∝ L r 2 4
donde r es la distancia a la estrella, por lo que a su distancia actual, la temperatura de equilibrio de la Tierra sería unas 7 veces su valor actual, unos 2029 Kelvin. Ahora, afortunadamente para cualquier forma de vida en el planeta, el radio de la órbita del planeta puede aumentar a medida que la estrella pierde masa, lo que sucede significativamente más rápido durante la fase de gigante roja. Generosamente, la Tierra podría moverse a un radio orbital de ∼ 1,5 AU. Si tuviéramos que asumir una tasa de pérdida de masa aún mayor para esta estrella, no está demasiado lejos de la cuestión que la Tierra podría moverse tan lejos como 2 UA. Por lo tanto, si recalculamos la temperatura, encontramos que T mi F F cae a 507 Kelvin, o apenas 453 ∘ F. ¡Oye, sigue siendo mejor que Venus!

Posibles adaptaciones

Creo que la imagen clásica de la vida en un planeta que orbita relativamente cerca de una gigante roja involucra una superficie completamente inhóspita. Estoy de acuerdo; 453 ∘ F es demasiado caliente para la vida tal como la conocemos para vivir sin sombra. Incluso los termófilos no podrían sobrevivir; las famosas Strain 121 y Strain 116 - que pueden vivir a 250 ∘ F - sería hervida. Yo diría que las cosas no mejorarán mucho por la noche. La transferencia de calor en la atmósfera de un planeta es increíblemente complicada, por lo que no puedo darle cifras concretas, pero la inercia térmica del aire tendría que ser mucho, mucho más baja de lo que es actualmente para que se produzca un enfriamiento significativo durante la noche. Cualquier organismo que intentara vivir de noche no tendría suerte.

Por lo tanto, tenemos que refugiarnos bajo tierra, lo cual es un problema, porque significa que la fotosíntesis podría no ser posible. La quimiosíntesis es una posibilidad, al igual que la termosíntesis , que, como he mencionado antes , era un posible mecanismo metabólico para la vida temprana en la Tierra. Si puedo invocar la termosíntesis aquí, señalaré que, dado que necesitaría un gran gradiente de calor para que sea efectivo, este planeta podría estar maduro para que se desarrolle y prospere. En cuanto a cómo podría implementarse exactamente, bueno, eso se lo dejo a usted, por ahora.

Parece que las cianobacterias pueden vivir en las profundidades del subsuelo , procesando gas hidrógeno usando una cadena similar a la fotosíntesis que no usa luz. Es bastante increíble y significa que la vida en el subsuelo sí es posible. Quizás estas cianobacterias podrían sobrevivir a las temperaturas y condiciones extremas en la superficie.

Períodos de rotación y revolución.

Ahora, la tercera ley de Kepler establece que la duración del período orbital de un planeta ( PAG ) está relacionado con su eje semi-mayor ( a ) y la masa de su estrella madre ( METRO ∗ ):

PAG 2 = a 3 METRO ∗
Ahora, asumimos arriba que a dobles y METRO ∗ se corta aproximadamente por la mitad. Por lo tanto, podemos ver que el nuevo período de revolución es de cuatro años.

Ahora bien, no debería haber un cambio significativo en el período del día del planeta, porque eso implicaría un cambio en su momento angular de rotación. No hay una fuente para que descargue su momento angular, y como su masa y radio seguirán siendo los mismos, también lo será la duración de un día. La única forma en que esto podría cambiar sería si tuviera una luna, como la tiene la Tierra. Con el tiempo, las fuerzas de marea transfieren el momento angular del planeta a la luna, lo que ralentiza su rotación. No has dicho si existe o no una luna; por simplicidad, asumiré que uno no lo hace.

Posibles adaptaciones

No veo ningún cambio significativo sucediendo aquí. Si la duración de un día sigue siendo la misma, entonces la única diferencia es que el año se ha duplicado, lo que no parece terriblemente absurdo. Las estaciones, tal como son, también serán el doble de largas, aunque posiblemente sin vida en la superficie, el cambio podría ser difícil de ver. El único efecto que esto tendría sobre la vida aquí sería que la reserva de calor disponible para la termosíntesis oscilaría durante un período más largo. Sin embargo, ese cambio debería ser leve y ciertamente no pondría en peligro la vida.

Tipo de radiación entrante

Dan Clarke mencionó algo importante y lo ampliaré. El espectro de un cuerpo negro no es uniforme; tiene un pico en alguna longitud de onda característica λ máximo . Podemos calcular esta longitud de onda a partir de la ley de Wien :

λ máximo = b T
donde b es una constante, 2.897 × 10 − 3 metro ⋅ K. Usando esto, encontramos que el Sol tiene una longitud de onda máxima de aproximadamente 502 nm. Esta gigante roja, con una temperatura la mitad de la del Sol, tiene una longitud de onda máxima de 1004 nm, en la sección del infrarrojo cercano del espectro electromagnético. Además, habría menos emisión de luz ultravioleta que la de una estrella similar al Sol.

Posibles adaptaciones

Como escribí aquí , diferentes pigmentos fotosintéticos son más efectivos en diferentes longitudes de onda máximas. Para picos de emisión alrededor de 1000 nm, ciertas bacterioclorofilas serán eficientes . Si la fotosíntesis fuera posible, las formas de vida dominantes serían las bacterias moradas y verdes. Ahora, no parece que la fotosíntesis pueda ocurrir: la temperatura de la superficie es demasiado alta. Aún así, me pregunto si hay una forma de evitar esto: tal vez, de alguna manera, la atmósfera es extremadamente densa y reduce drásticamente la cantidad de luz que llega a la superficie a una cantidad razonable. Si es así, las bacterias moradas y verdes podrían ser los principales habitantes.

Usted preguntó acerca de las mutaciones. La luz ultravioleta es una causa de mutaciones , y dado que la temperatura de la estrella ha cambiado, también lo ha hecho la cantidad de luz ultravioleta: ha disminuido. Lo mismo ocurre con cualquier radiación de rayos X y rayos gamma (que sería insignificante para empezar, para una estrella similar al Sol). Por lo tanto, deberíamos ver una ligera disminución en las tasas de mutación. Pero, de todos modos, no habrá mucha luz al aire libre. En cualquier caso, tener una capa de ozono sería menos importante.

La fase AGB

La fase de rama gigante asintótica (AGB) de la vida de una estrella, que ocurre inmediatamente después de que la estrella deja la rama gigante roja, presenta peligros ligeramente diferentes para la vida en un planeta en órbita. Las estrellas AGB pierden masa rápidamente a través de fuertes vientos estelares , a veces perdiendo hasta 10 − 4 METRO ⊙ ¡por año! Este es un problema importante. Las estrellas centrales de las nebulosas planetarias, que acaban de salir de la rama gigante asintótica, pueden destruir las atmósferas de los planetas en órbita , y sospecho que las condiciones no serían más hospitalarias durante la fase AGB. En otras palabras, conjeturaría que es posible que la atmósfera de la Tierra pueda ser despojada.

Además del problema de la pérdida de masa, todavía está el problema de una luminosidad mucho mayor (quizás ∼ 10 4 L ⊙ ) al final de la rama gigante asintótica. Incluso si el planeta retiene su atmósfera, e incluso si el planeta se aleja lo suficiente como para permanecer en la zona habitable mientras su estrella madre está en la rama gigante roja, es probable que se queme durante la fase AGB.

Posibles adaptaciones

Ninguno. A menos que la termosíntesis ya esté funcionando.

Creo que a menos que el organismo tuviera algún tipo de célula de origen vegetal se volvería de sangre fría, pero tendrían que adaptarse bajo tierra para evitar el agotamiento extremo.

Hola, Twimes. ¿Puedes explicar tu respuesta con un poco más de detalle? Gracias.

Todo esto depende de la densidad de la atmósfera de dicho planeta. ¿Tiene una buena capa de ozono? Si es así, la radiación no debería ser un problema. El planeta probablemente estaría poblado principalmente por una especie invasora de plantas, ya que podría ser difícil sobrevivir durante largos períodos de tiempo en la oscuridad. Los animales también pueden ser invasivos, o pueden ser migratorios (y moverse hacia la luz donde las plantas aún están sanas (y otros animales aún están vivos)) como depredadores. Tal vez haya algunos animales que sigan a los herbívoros migratorios, o tal vez haya algunas plantas que usarán animales como "baterías" para la larga noche. En cuanto a las mutaciones, no puedo decir.

Diría que, como apuesta segura, debido a la radiación solar de la gigante roja que fluye, probablemente no habría ozono que protegiera de la radiación dañina, por lo que la mayor parte de la vida estaría confinada al agua donde se absorbe la radiación. esto hace que la vida sea poco probable incluso en la superficie del agua, ya que el agua no absorbe completamente la radiación. pero eventualmente, las criaturas en aguas profundas podrían desarrollar una resistencia a la radiación (si la estabilización genética fuera posible). y eventualmente podría habitar la tierra. aunque un gran número de criaturas todavía viviría en el agua.

Diría que la tierra sería relativamente árida, lo que haría que la mayoría de las criaturas fueran carnívoras y depredadoras. la presa tendría que adaptarse para poder correr y/o esconderse de los depredadores, lo que significa que tanto el depredador como la presa tendrían que ser rápidos y capaces de correr durante mucho tiempo. las criaturas capaces de sobrevivir probablemente sobrevivirían con algas, musgo y otras plantas sanguijuelas que pueden vivir en muy poco o nada de suelo.

otra consideración son los flujos de energía de la estrella, calentándola lo suficiente como para hacer hervir los estanques un día, y lo suficientemente fría como para congelar las rocas al día siguiente. por lo que todo tendría que adaptarse a estos flujos de temperatura constante desarrollando una piel gruesa y una forma de almacenar agua para usar en los días calurosos y retirarla para los días fríos, expandiendo y encogiendo a las criaturas ligeramente respectivamente. las criaturas también tendrían que adaptarse a los cambios de nivel de luz; ya sea teniendo ojos grandes para captar la luz disponible, o usando otro sentido por completo. finalmente, las plantas que viven en el planeta probablemente mutarían a causa de la radiación dando paso a todo, desde algas puntiagudas hasta arbustos duros como rocas. eso es realmente todo lo que sé por ahora.

Tu primer párrafo no es correcto. La estrella sería más fría, por lo que la emisión ultravioleta disminuiría significativamente. La radiación ultravioleta es el actor principal en el ciclo del ozono, y con menos luz ultravioleta, no habría ninguna amenaza para la capa de ozono. Definitivamente tienes razón acerca de que las temperaturas se vuelven extremadamente altas, pero no creo que los cambios de temperatura sean más drásticos que los de la Tierra; no hay ningún mecanismo para que el aire se enfríe rápidamente por la noche. La temperatura no cambiaría mucho del lado diurno al lado nocturno.
Adaptación fisiológica de la vida en un planeta que orbita alrededor de una gigante roja.
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