Química atmosférica con papel y lápiz
26/7/2016 de Universität Bern / The Astrophysical Journal
(Ilustración) El espectro de la atmósfera de un exoplaneta muestra las distintas moléculas presentes en ella. Sus abundancias dependen de si han sido creadas por procesos físicos, geológicos o biológicos. Crédito: NASA.
Normalmente las computadoras aceleran los cálculos. Pero con su nueva fórmula de lápiz y papel Kevin Heng, de la Universidad de Berna, obtiene sus resultados miles de veces más rápido que utilizando programas de computadora convencionales. El astrofísico calcula las abundancias de moléculas en atmósferas exoplanetarias. En última instancia, descifrar las abundancias de moléculas nos permite interpretar si las características de un espectro son debidas a procesos físicos, geológicos o biológicos.
Con sus instrumentos sofisticados, los astrónomos de hoy en día no sólo detectan exoplanetas nuevos fuera de nuestro sistema solar sino que son capaces de caracterizar las atmósferas de algunos de estos mundos lejanos. Para saber qué esperar y cuándo hay sorpresas, los teóricos calculan las abundancias esperadas de las moléculas. Kevin Heng es un experto en estos cálculos. “El Sol y otras estrellas poseen una proporción concreta de elementos químicos como hidrógeno, carbono, oxígeno o nitrógeno”, explica. “Y hay muchas pruebas de que los planetas se forman a partir de la esencia de las estrellas”. Pero mientras que en las estrellas los elementos existen en forma de átomos, a las temperaturas más bajas de las atmósferas exoplanetarias forman diferentes moléculas, según sea la temperatura y la presión.
Por ejemplo, a temperaturas bajas el portador dominante de carbono es el metano (CH4) y a temperaturas elevadas, el monóxido de carbono (CO). El conjunto de reacciones químicas posibles es bien conocido pero muy grande. Por tanto, los cálculos convencionales son complejos y largos. “Encontré un modo de hacer esto mucho más rápidamente resolviendo el 99% del problema en papel antes de tocar la computadora”, afirma Kevin Heng. “Normalmente se resuelve lo que llamamos un sistema de ecuaciones acopladas no lineales. Yo conseguí reducir el problema a resolver una sola ecuación polinomial. En concreto, yo ‘desacoplé’ el sistema de ecuación sobre el papel en lugar de utilizar un ordenador”. Resolver esta ecuación polinomial cuesta una fracción del tiempo que tarda originalmente una computadora.
El nuevo método analítico tiene varias consecuencias. El tremendo aumento en la velocidad permite una exploración más concienzuda de las posibilidades al interpretar los espectros de las atmósferas de exoplanetas. La química atmosférica nos enseña cuándo y cómo ser sorprendidos. Las diferencias entre las abundancias de moléculas observadas y las calculadas podría poner de manifiesto procesos geológicos e incluso biológicos. “Puede que en 20 ó 30 años mirando una atmósfera exoplanetaria con agua, oxígeno, ozono y otras moléculas podamos preguntar si vemos vida”, comenta Heng. “Pero primero tendremos que responder a la pregunta de si los datos pueden explicarse por física o geología”.
