Nuevos hallazgos sobre Titán refuerzan su interés astrobiológico

Al igual que la Tierra, Titán ­–la mayor luna de Saturno– cuenta con una atmósfera dominada por nitrógeno y fenómenos meteorológicos como nubes y lluvia. Sin embargo, a diferencia de nuestro planeta, donde el clima está gobernado por el ciclo del agua, en la criogénica Titán dicho papel lo desempeña el metano, que se evapora, forma nubes, precipita en forma de lluvia y alimenta lagos y mares en su superficie. Dicho proceso, junto con una compleja química orgánica, ha sido objeto de nuevos descubrimientos que arrojan luz sobre la fascinante atmósfera de este satélite.

Un equipo internacional, con participación del Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA-CSIC), ha detectado por primera vez radical metilo (CH₃) en la atmósfera de Titán, una molécula compuesta por un átomo de carbono y tres de hidrógeno. “La detección directa del CH₃ nos permite validar lo que los modelos químicos llevaban tiempo prediciendo: que la rica química orgánica de Titán comienza con unos pocos radicales sumamente reactivos que ahora podemos observar”, explica Manuel López Puertas, investigador del IAA-CSIC que participa en el estudio.

El trabajo también presenta otros resultados reveladores, como un perfil completo del monóxido de carbono (CO) en la atmósfera de Titán o los primeros indicios de convección de nubes en su hemisferio norte—donde actualmente es verano—, sobre una región rica en lagos y mares. Los resultados se han publicado en la revista Nature Astronomy.

Avances en el estudio de la química de Titán

Titán, ese mundo fascinante envuelto en una bruma amarillenta y densa, es uno de los objetos con más interés astrobiológico del sistema solar. Esto se debe en gran parte a su compleja química orgánica, es decir, rica en compuestos que contienen carbono. Las moléculas orgánicas son los componentes fundamentales de la vida tal y como la conocemos, por lo que estudiarlas en un entorno como Titán puede aportar claves sobre los procesos químicos que precedieron al origen de la vida en la Tierra.

El metano (CH₄) es el motor principal de la actividad química en Titán. En su atmósfera, el metano se descompone por efecto de la luz solar o por el impacto de electrones energéticos procedentes de la magnetosfera de Saturno. Estos fragmentos de metano pueden luego reaccionar entre sí o con otras moléculas para formar compuestos más complejos, como el etano (C₂H₆) y otras moléculas orgánicas que podrían llegar a depositarse en la superficie.

Los datos del instrumento MIRI (Mid-Infrarred Instrument) del telescopio espacial James Webb, construido y operado conjuntamente por la NASA, la Agencia Espacial Europea (ESA), la Agencia Espacial Canadiense (CSA), han aportado una pieza clave para comprender la compleja química de Titán: la primera detección directa del radical metilo (CH₃) en su atmósfera. Este tipo de molécula, conocida como “radical” porque contiene un electrón libre no enlazado químicamente, se forma cuando el metano se fragmenta. “Su detección permite observar por primera vez la química en acción en la atmósfera de Titán, no solo los compuestos de partida ni los productos finales, sino también las etapas intermedias del proceso”, puntualiza Manuel López Puertas (IAA-CSIC).

Además de revelar cómo se construyen los compuestos orgánicos en la atmósfera, esta química basada en hidrocarburos tiene implicaciones importantes para la evolución de Titán a largo plazo. Cuando el metano se descompone en las capas altas de la atmósfera, parte de ese gas se transforma en otras moléculas que, con el tiempo, se depositan en la superficie en distintas formas químicas. Al mismo tiempo, parte del hidrógeno que se libera en el proceso escapa al espacio. Como resultado, el metano se irá agotando con el tiempo, a menos que exista alguna fuente interna que lo reponga.

“En Titán, el metano es un recurso que se está consumiendo. Puede que se esté reponiendo desde el interior, filtrándose lentamente desde la corteza durante miles de millones de años. Pero si no es así, con el tiempo desaparecerá, y Titán acabará transformándose en un mundo de polvo y dunas”, advierte Conor Nixon, investigador del Centro Goddard de Vuelos Espaciales (CVEG) de la NASA y autor principal del estudio.

El enigma del oxígeno en Titán

Otro de los hallazgos más reveladores se ha logrado gracias al instrumento NIRSpec del JWST, un espectrógrafo de infrarrojo cercano con el que se ha podido medir la concentración de monóxido de carbono (CO) en la atmósfera de Titán desde la superficie hasta la alta atmósfera (sobre los 800 km de altitud). Las observaciones extienden los perfiles anteriores, limitados a 450 km, y confirman que la concentración de CO se mantiene constante en todas las capas. Así, el investigador del IAA-CSIC Manuel López Puertas, destaca que “el hecho de que el CO se mantenga constante desde la troposfera hasta la exosfera nos indica que el oxígeno que contiene no se genera en Titán, sino que llega desde fuera”.

Por otro lado, el CO contiene la mayor parte del oxígeno presente en la atmósfera de Titán, dominada por nitrógeno, carbono e hidrógeno, por lo que su origen es un misterio. Actualmente se sospecha que este oxígeno pueda proceder de flujos de OH/H₂O (radical hidroxilo/agua), y oxígeno atómico (O), compuestos que contienen oxígeno generado por polvo interplanetario y por la actividad de Encelado, otra de las lunas de Saturno. Este trabajo también ha permitido medir la concentración de CO₂ mediante un modelo avanzado, confirmando medidas previas de la misión Cassini-Huygens, pero dejando sin resolver el enigma del ciclo completo del oxígeno en Titán.

Ambos hallazgos —la detección del CH₃ y el perfil completo del CO— ofrecen una nueva ventana a la evolución atmosférica de Titán y a los procesos que podrían haber dado forma a entornos químicos similares al de la Tierra primitiva.

“En un futuro, esperamos encontrar nuevos hallazgos en los datos del JWST” afirma Manuel López Puertas (IAA-CSIC). “Su enorme precisión, así como su alta resolución espectral y sus medidas no contaminadas con la atmósfera terrestre, posiblemente permitan descubrir nuevos compuestos minoritarios como nitrilos o compuestos aromáticos en la atmósfera de Titán”.

El tiempo atmosférico de Titán

En Titán, el metano desempeña un papel meteorológico parecido al que tiene el agua en la Tierra. Se evapora desde lagos y mares, asciende en la atmósfera, se condensa en forma de nubes y puede volver a caer como una lluvia fría y aceitosa sobre sobre una superficie sólida, donde, por las temperaturas extremadamente frías (-180 °C), el hielo de agua alcanza la dureza de una roca.

El equipo observó Titán en dos campañas —noviembre de 2022 y julio de 2023— combinando datos del JWST con los del observatorio terrestre W. M. Keck. Se detectaron nubes en latitudes medias y altas del hemisferio norte y comprobaron que estas nubes parecían ascender con el paso de los días. Aunque ya se había documentado convección de nubes en el hemisferio sur, es la primera vez que se observa este fenómeno en el verano del hemisferio norte.

“Este hallazgo es especialmente relevante porque la mayoría de los lagos y mares de Titán se concentran en su hemisferio norte, y la evaporación de estas masas líquidas constituye una fuente clave de metano atmosférico”, apunta el primer autor del trabajo.

En la Tierra, la capa inferior de la atmósfera donde se desarrollan las nubes y el clima, llamada troposfera, alcanza unos 12 kilómetros de altitud. En Titán, debido a su menor gravedad, esta capa se extiende hasta unos 45 kilómetros. Usando varios filtros infrarrojos, Webb y Keck pudieron observar diferentes profundidades de la atmósfera y estimar la altitud de las nubes, que parecían elevarse progresivamente con el tiempo. “Aunque no se detectó lluvia de forma directa, las observaciones sugieren que las condiciones eran favorables para la precipitación”, concluye Conor Nixon (NASA-GSFC).