Química atmosférica de exoplanetas en el papel

Normalmente los ordenadores aceleran los cálculos. Pero con su nueva fórmula de lápiz y papel Kevin Heng de la Universidad de Berna consigue  resultados miles de veces más rápido que el uso de códigos de ordenador convencionales.

El astrofísico calcula las abundancias de moléculas (conocidos como la química atmosférica) en atmósferas exoplanetarios. En última instancia, el desciframiento de las abundancias de moléculas es lo que nos permite interpretar si las características en un espectro se deben a la física, la geología o la biología.

Con sus sofisticados instrumentos, los astrónomos hoy en día no sólo detectan nuevos exoplanetas fuera de nuestro sistema solar,  son capaces de caracterizar las atmósferas de algunos de estos mundos distantes. Para saber qué esperar y cuándo ser sorprendidos teóricos calculan las abundancias de moléculas esperadas. Kevin Heng, director del Centro de espacio y habitabilidad (CSH) en la Universidad de Berna, es un experto en estos cálculos. "El sol  y otras estrellas - tienen una proporción muy definida de elementos químicos como el hidrógeno, el carbono, el oxígeno o nitrógeno", explica: "Y hay una gran cantidad de evidencia de que los planetas se forman a partir de la esencia de las estrellas." Pero mientras que en estrellas existen los elementos en forma de átomos, en las temperaturas más bajas de las atmósferas exoplanetarias forman diferentes moléculas de acuerdo a la temperatura y presión.


A bajas temperaturas, por ejemplo, el portador dominante de carbono es el metano (CH4), a altas temperaturas es el monóxido de carbono (CO). La red de posibles reacciones químicas es bien conocida pero muy grande. Por lo tanto, los cálculos convencionales son complejos y consume mucho tiempo. "He encontrado una manera de hacer esto mucho más rápido mediante la resolución de 99% del problema en el papel, incluso antes de que uno toca una computadora", dice Kevin Heng. "Normalmente, uno resuelve lo que llamamos un sistema de  ecuaciones acopladas no lineales,. Logré reducir el problema al resolver una ecuación polinómica. Efectivamente, yo 'desacoplado' el sistema de ecuaciones en papel, en lugar de utilizar un ordenador. " Resolviendo esta ecuación polinómica entonces toma una fracción del tiempo de equipo original.
10 milisegundos En lugar de unos pocos minutos

"Me tomó unos meses para averiguar lo que es posible", dice el astrofísico. Necesitaba dos papeles para sentar las bases para el resultado principal en el tercer documento que ahora está aceptado para su publicación en la revista Astrophysical Journal. "Este avance se reduce esencialmente la parte principal del programa a una línea de código informático. Ahora podemos calcular la química en 0,01 segundos (10 milisegundos) en lugar de unos pocos minutos." Una cifra que muestra las curvas de las abundancias relativas de las diversas moléculas como el metano, monóxido de carbono, agua o amonio frente a la temperatura exacta demuestra cómo la nueva fórmula es. "Casi no se puede decir la diferencia entre mis cálculos y los que tienen el código de computadora complicado", resume el científico. No es extraño que el documento causó un gran revuelo en la comunidad de los expertos, incluso antes de su publicación oficial.

El nuevo método de análisis tiene varias implicaciones. La tremenda aceleración permite una exploración más a fondo de las posibilidades a la hora de interpretar los espectros de atmósferas exoplanetarios. Para Heng, lo que es más interesante es la oportunidad para la democracia científica:.. "Ahora es fácil para cualquier astrónomo, en todo el mundo, para el cálculo de la química atmosférica en exoplanetas ya no es necesario para implementar un código informático sofisticado consigo un retroceso de saber que este conocimiento es inmediatamente transferible a cualquier otro científico en el mundo ".

La observación de las atmósferas de los exoplanetas, los científicos esperan descubrir cómo se formaron los objetos y qué tipo de procesos siguen teniendo lugar. la química atmosférica enseña cómo y cuándo se sorprenda. Las diferencias entre el calculado y las abundancias observadas de moléculas podrían desvelar los procesos geológicos o incluso biológicas. "Tal vez en 20 o 30 años mirando una atmósfera exoplanetario con agua, el oxígeno, el ozono y otras moléculas podemos preguntarnos si vemos la vida," dice Kevin Heng. "Pero primero vamos a tener que responder a la pregunta de si los datos se pueden explicar por la física o la geología.".http://astrobiology.com/2016/07/exoplanet-atmospheric-chemistry-on-paper.html