Sustancia química que no debería estar en la atmósfera de Venus

Hoy, los investigadores anuncian que han observado una sustancia química en la atmósfera de Venus que no tiene derecho a estar allí. La sustancia química, la fosfina (un átomo de fósforo conectado a tres hidrógenos), sería inestable en las condiciones que se encuentran en la atmósfera de Venus, y no hay una forma obvia de que la química del planeta cree gran parte de ella.

Eso está llevando a mucha especulación sobre la perspectiva igualmente improbable de que la vida sobreviva de alguna manera en la atmósfera superior de Venus. Pero mucho de este trabajo requiere aportaciones de personas que no participaron en el estudio inicial, lo que probablemente suscite la publicación de hoy. Si bien definitivamente hay razones para pensar que la fosfina está presente en Venus, su detección requirió un análisis informático bastante complicado. Y definitivamente hay algunos químicos creativos que querrán repensar la posible química de nuestro vecino más cercano.

¿Qué es la fosfina?

El fósforo está una fila debajo del nitrógeno en la tabla periódica. Y así como el nitrógeno puede combinarse con tres átomos de hidrógeno para formar el amoníaco familiar, el fósforo puede unirse con tres hidrógenos para formar fosfina. En condiciones similares a las de la Tierra, la fosfina es un gas, pero no agradable: es extremadamente tóxico y tiene una tendencia a arder espontáneamente en presencia de oxígeno. Y esa característica posterior es la razón por la que no vemos mucho hoy; es simplemente inestable en presencia de oxígeno.

Hacemos algunos para nuestros propios usos. Y algunos microbios que viven en ambientes libres de oxígeno también lo producen, aunque no hemos identificado el proceso bioquímico que lo hace ni las enzimas involucradas. Aún así, cualquier fosfina que logre escapar a la atmósfera rápidamente se convierte en oxígeno y se destruye.

Eso no quiere decir que no exista en otros planetas. Los gigantes gaseosos como Júpiter lo tienen. Pero también tienen una gran cantidad de hidrógeno en su atmósfera y no tienen oxígeno, lo que permite que sustancias químicas como la fosfina, el metano y el amoníaco sobrevivan en la atmósfera. Y el intenso calor y la presión más cercanos al núcleo de un gigante gaseoso proporcionan las condiciones en las que la fosfina se puede formar espontáneamente.

Así que tenemos una clara división entre los gigantes gaseosos, con atmósferas ricas en hidrógeno donde se puede formar la fosfina, y los planetas rocosos, donde el entorno oxidante debería asegurar su destrucción. Por esa razón, la gente ha sugerido que la fosfina podría ser una firma biológica que podemos detectar en las atmósferas de los planetas rocosos: sabemos que es producida por la vida en la Tierra y es poco probable que esté presente en estos planetas a menos que se reemplace constantemente. Así es como algunos investigadores terminaron apuntando con un telescopio a la atmósfera de Venus.

Buscando señales

Específicamente, los investigadores recurrieron a los 15 metros Telescopio James Clerk Maxwell telescopio en Hawaii. El JCMT puede obtener imágenes en longitudes de onda de alrededor de un milímetro, lo que es interesante para la atmósfera de Venus. La cálida atmósfera inferior de Venus produce una gran cantidad de radiación en esta área del espectro. Y la fosfina se absorbe a una longitud de onda específica en el área. Entonces, si la fosfina está presente en la atmósfera superior, su presencia debería crear un espacio en un lugar específico en la inundación de radiación producida por la atmósfera inferior de Venus.

En principio, esta es una observación extremadamente simple. En realidad, sin embargo, es un poco una pesadilla, solo porque los niveles son tan bajos. Aquí en la Tierra, donde sabemos que se produce la fosfina, el nivel de estado estable en la atmósfera está en el área de una parte por trillón porque se destruye muy rápidamente. Venus también se mueve en relación con la Tierra, lo que significa que la ubicación de cualquier señal debe ajustarse para tener en cuenta el desplazamiento Doppler. Finalmente, cualquier señal también se complicaría por lo que los investigadores llaman «ondas», o instancias en las que partes del espectro se reflejan en algún lugar entre Venus y el telescopio.

Estos requerían un extenso procesamiento por computadora de los datos del telescopio. Pero aparentemente para sorpresa de los científicos, este análisis pareció mostrar la presencia de fosfina. (En su artículo, los investigadores escriben: «El objetivo era un punto de referencia para futuros desarrollos, pero inesperadamente, nuestras observaciones iniciales sugirieron una cantidad detectable de PH de Venus₃ estaba presente «). Entonces, alguien más repitió el análisis de forma independiente. La señal todavía estaba allí. Los investigadores también confirmaron que su enfoque fue capaz de detectar agua con deuterio, un isótopo de hidrógeno, que sabemos que está presente en la atmósfera de Venus. También descartaron la posibilidad de haber identificado erróneamente una línea de absorción de dióxido de azufre que está cerca.

Una vez descartados los problemas obvios, consiguieron tiempo en un segundo telescopio. Ese segundo telescopio fue el Atacama Large Millimeter Arrayo ALMA. Tiene un poder de resolución mucho mejor, lo que permite a los investigadores tratar a Venus como más que una fuente puntual de luz. Esto confirmó que la señal de fosfina todavía estaba allí y era más intensa en las latitudes medias, mientras que aparentemente estaba ausente de los polos y el ecuador. Esto significa que está presente en sitios donde hay más circulación atmosférica de arriba a abajo.

Los investigadores finalmente concluyeron que la fosfina está presente, en niveles en el área de 20 partes por mil millones.

¿Cómo diablos llegó eso allí?

Suponiendo que el análisis se mantenga, la gran pregunta es cómo llegó la fosfina. Los investigadores estimaron qué tan rápido sería destruido por las condiciones en la atmósfera de Venus, y lo usaron para calcular cuánta fosfina se necesitaría producir para mantener los niveles de 20 partes por mil millones. Y luego fueron a buscar algún tipo de reacción química que pudiera producir tanto.

Y bueno, no hay una gran cantidad de buenas opciones. En las condiciones que prevalecen en la atmósfera, tanto el fósforo como el hidrógeno normalmente se oxidarán, y no hay mucho de ninguno de los dos a su alrededor. Si bien la radiación solar podría potencialmente liberar algo del hidrógeno que está allí, lo haría muy lentamente, y la termodinámica indicaría que es más probable que reaccione con algo que no sea fósforo. De manera similar, las vías de reacción basadas en el probable vulcanismo de Venus no producirían suficiente fosfina por factores de aproximadamente un millón.

Todo lo cual lleva a los investigadores a una conclusión algo frustrante: «Si ningún proceso químico conocido puede explicar el PH3 en la atmósfera superior de Venus, entonces debe ser producido por un proceso que antes no se consideraba plausible para las condiciones de Venus». Sin embargo, obviamente, uno de los inverosímiles que debe tenerse en cuenta es la razón por la que la gente buscaba fosfina en primer lugar, es decir, que podría ser producida por seres vivos.

Pero no hay escasez de inverosimilitud relacionada con la vida en Venus. Nada que reconozcamos como vida posiblemente sobreviviría en una superficie planetaria ferozmente caliente que está bañada en dióxido de carbono supercrítico. La temperatura en la atmósfera superior, donde se origina la firma de fosfina, es mucho más moderada. Pero requeriría alguna forma de vida que circule perpetuamente en la atmósfera superior y de alguna manera sobreviva al contacto con las nubes de ácido sulfúrico del planeta.

No convencido

Así que nos quedamos en un lugar incómodo. Uno de los investigadores que dirigió este trabajo dijo: «Nos tomó alrededor de 18 meses convencernos de que había una señal». Puede esperar que el resto del campo ahora pase algún tiempo tratando de convencerse a sí mismo también, probablemente apuntando un montón de telescopios adicionales a Venus. Mientras tanto, los químicos intentarán pensar en vías de reacción adicionales que podrían funcionar en condiciones similares a las de Venus.

Existe una posibilidad razonable de que estemos informando sobre los resultados de estos esfuerzos en poco tiempo, lo que indica que no está sucediendo nada inusual en el segundo planeta desde el Sol. Pero si eso no termina sucediendo, dará un gran impulso al coro constante de voces que han estado argumentando que debemos hacer más para explorar Venus. Han surgido algunos planes relacionados con dirigibles que podrían pasar períodos prolongados moviéndose por la atmósfera superior de Venus. Si estos resultados se mantienen, las aeronaves parecerían ser el medio perfecto para averiguar qué está produciendo esta sustancia química.

Astronomía de la Naturaleza, 2020. DOI: 10.1038 / s41550-020-1174-4 (Acerca de los DOI).