El satélite TGO de la Agencia Espacial Europea ha captado el brillo verdoso que generan los átomos de oxígeno en la atmósfera de Marte. Es la primera vez que se observa este tipo de emisión en un planeta distinto al nuestro.
La característica tonalidad verdosa de las auroras polares de la Tierra se debe a la emisión de luz por el oxígeno, que se ilumina cuando los electrones cargados procedentes del espacio interplanetario chocan contra la alta atmósfera.
Pero este vistoso fenómeno es solo una de las formas en que brillan las atmósferas de planetas como el nuestro o Marte. De hecho, la luminiscencia está presente en cualquier momento mientras la luz solar interactúe con los elementos atmosféricos, aunque los resplandores nocturnos y diurnos se deben a mecanismos algo distintos: los nocturnos se producen cuando se recombinan moléculas descompuestas, mientras que los diurnos surgen cuando la luz del Sol excita directamente moléculas y átomos, como el oxígeno.
En el caso de la Tierra, el resplandor nocturno verde es muy tenue, por lo que es mejor verlo de canto, tal y como muestran la numerosas y espectaculares imágenes tomadas desde la Estación Espacial Internacional (ISS, por sus siglas en inglés).
Resplandor verdoso en la Tierra observado desde la Estación Espacial Internacional. / NASA
En principio esa debilidad del resplandor supone un problema cuando se busca alrededor de otros planetas, ya que el brillo de su superficie puede taparlo, pero ahora, por primera vez, esta iluminación verdosa se ha detectado en Marte gracias al Satélite para el estudio de Gases Traza (TGO) de la misión ExoMars, que lleva orbitando nuestro planeta vecino desde octubre de 2016.
“Una de las emisiones más brillantes observadas en la Tierra proviene del resplandor nocturno, en concreto, de los átomos de oxígeno que emiten una longitud de onda luminosa particular que nunca se había visto alrededor de otro planeta", comenta Jean-Claude Gérard, de la Universidad de Lieja (Bélgica), “sin embargo, hace 40 años que se había predicho que esta emisión existía en Marte, y ahora la hemos encontrado".
Jean-Claude y sus colegas, que han publicado su estudio en la revista Nature Astronomy, han detectado esta emisión con un instrumento del orbitador TGO conocido como NOMAD (Nadir y ocultación para el descubrimiento de Marte). Este incluye el espectrómetro ultravioleta y visible (UVIS) que puede observar en varias configuraciones, una de las cuales apunta directamente hacia la superficie marciana, también conocida como canal nadir.
"Las observaciones anteriores no habían capturado ningún tipo de resplandor verde en Marte, por lo que decidimos reorientar el canal nadir de UVIS hacia el 'borde' de Marte, de forma similar a la perspectiva que se ve en las imágenes de la Tierra tomadas desde la ISS", explica la coautora Ann Carine Vandaele del Institut Royal d'Aéronomie Spatiale de Bélgica e investigadora principal de NOMAD.
Con estos instrumentos, entre el 24 de abril y el 1 de diciembre de 2019, el equipo rastreó altitudes que van de 20 a 400 kilómetros de la superficie marciana dos veces por órbita. Cuando analizaron estos conjuntos de datos, encontraron la emisión de oxígeno verde en todos ellos. "Aunque la emisión fue más fuerte a una altitud de alrededor de 80 kilómetros (con otro pico más débil a unos 120 km) y varió dependiendo de la distancia cambiante entre Marte y el Sol", apunta Ann Carine.
El estudio del resplandor de las atmósferas planetarias ofrece mucha información sobre la composición y la dinámica de una atmósfera, además de revelar cómo se deposita la energía de la luz solar y el viento solar, la corriente de partículas cargadas procedente de nuestra estrella.
Para comprender mejor este resplandor verde en Marte y compararlo con lo que vemos alrededor de nuestro propio planeta, Jean-Claude y sus colegas profundizaron en cómo se formó: "Modelamos esta emisión y descubrimos que se produce principalmente como dióxido de carbono (CO2) y se divide en sus partes constituyentes, monóxido de carbono (CO) y oxígeno (O). Vimos los átomos de oxígeno resultantes brillando tanto en luz visible como ultravioleta".
La comparación simultánea de estos dos tipos de emisión mostró que la emisión visible era 16,5 veces más intensa que la ultravioleta. "Las observaciones en Marte concuerdan con los modelos teóricos anteriores, pero no con el brillo real que hemos visto alrededor de la Tierra, donde la emisión visible es mucho más débil", señala Jean-Claude, “y esto sugiere que tenemos más que aprender sobre cómo se comportan los átomos de oxígeno, lo cual es muy importante para nuestra comprensión de la física atómica y cuántica".
Esta información es clave para caracterizar atmósferas planetarias y fenómenos relacionados, como las auroras. Al descifrar la estructura y el comportamiento de esta capa verde brillante de la atmósfera de Marte, los científicos pueden obtener información sobre un rango de altitud que ha permanecido en gran parte inexplorado, y controlar cómo cambia a medida que varía la actividad del Sol y Marte viaja a lo largo de su órbita alrededor de nuestra estrella.
“Hemos demostrado la alta sensibilidad y calidad óptica del instrumento NOMAD, teniendo en cuenta que este estudio exploró el lado del día de Marte, que es mucho más brillante que el lado nocturno, lo que hace que sea aún más difícil detectar esa débil emisión", destaca Håkan Svedhem, científico del proyecto TGO de la ESA.
Según los autores, entender las propiedades de la atmósfera marciana no solo tiene interés científico, también es fundamental para operar las futuras misiones que se enviarán al planeta rojo. La densidad atmosférica, por ejemplo, afecta directamente a la resistencia experimentada por los satélites en órbita y a los paracaídas utilizados para aterrizar sondas en la superficie marciana.
"Este tipo de observación por teledetección, junto con mediciones in situ en altitudes más altas, nos ayuda a predecir cómo responderá la atmósfera marciana a las variaciones estacionales y en la actividad solar", añade Håkan, que concluye: "Predecir cambios en la densidad atmosférica es especialmente importante para las próximas misiones, incluida la misión ExoMars 2022 que enviará un rover y una plataforma científica de superficie para explorar el planeta rojo".
En el estudio y el nuevo hallazgo en Marte también han participado científicos del Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA-CSIC), como José Juan López-Moreno, que apunta: “El descubrimiento de la presencia de la línea verde del oxígeno atómico en la atmósfera de Marte abre una ventana para el estudio del comportamiento y fotoquímica de este planeta, y nos proporciona una herramienta para comprender la interacción de la radiación solar con la atmósfera marciana”.
Por su parte, el también coautor e investigador del IAA Miguel Ángel López-Valverde, comenta: “Era esperable, pero difícil de observar. Por fin la hemos encontrado, y el buen ajuste que hemos conseguido con un modelo fotoquímico revela que nuestra descripción de los mecanismos de excitación del oxígeno atmosférico son correctos en un ambiente bien diferente al terrestre y, por tanto, son exportables a otros mundos”.
“Además –añade–, esto puede tener gran interés para el estudio de las atmósferas de los planetas en otros sistemas solares y la búsqueda de señales de vida. La luminiscencia del oxígeno revela la presencia de este compuesto, muy abundante en la Tierra debido a la fotosíntesis. Así que, si la línea verde en un exoplaneta fuese mucho más intensa que la emisión que acabamos de descubrir en Marte, comparable o mayor que la intensidad observada en la Tierra, podría ser un indicador indirecto de algún tipo de vida capaz de realizar un proceso de fotosíntesis”.
Referencia:
J.-C. Gérard et al. “Detection of green line emission in the dayside atmosphere of Mars from NOMAD-TGO observations”. Nature Astronomy 2020.
Si bien los astrónomos ya habían capturado alrededor de dos docenas de imágenes ampliadas de este tipo de estrellas, es la primera vez que llegan a observar una de ellas en detalle.
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