1/ 26. Die Galaktische Habitable Zone

Transkript

1 1/ 26 Die Galaktische Habitable Zone

2 Überblick GHZ Metallizität, Supernovae,... Planeten um M-Sterne habitabel? Einflüsse von Bahndistanz, Tidal Locking & Planetentyp auf Habitabilität Kosmische Strahlung Auswirkungen auf Atmosphäre & Biomarker, Descreening 2/ 26

3 Zirkumstellare HZ & Galaktische HZ CHZ: Huang (1959) Bereich, innerhalb dem flüssiges Wasser auf Planetenoberfläche möglich abhängig von Leuchtkraft & Bahndistanz GHZ: Gonzales et al. (2001) physikalische Prozesse von räumlicher & zeitlicher Position in Milchstraße abhängig 3/ 26

4 Metallizität Anteil von Planeten um Stern mit 1M als Funktion deren Masse Hohe Metallizität: unterschiedlicher Massebereich Geringe Metallizität: erdähnliche Masse 4/ 26 Prantzos, N., 2006

5 Lineweaver, C.H., Fenner, Y., Gibson, B.K., / 26 Galaktozentrische Distanzen zwischen 2,5 kpc (oben) & 20,5 kpc (unten); gelb: Sonne;

6 Supernovae Harte Röntgenstrahlung, Gammastrahlung, Kosmische Strahlung zerstören Ozon in Atmosphäre kein Schutz gegen UV-Strahlung Zerstören Protozoen & Bakterien, Sekundärteilchen zerstören Zellen/ DNA 6/ 26

7 SN in Erdnähe Atmosphäre Säulendichte: ca. 100 g/cm² ca. 1% der Strahlung erreicht Erdboden Annahme: Leben am Land vernichtet UV- Strahlung von Wasser absorbiert in einigen 100 Mio. Jahren: Neubildung Erdumgebung: Beteigeuze (130 pc entfernt) Typ II, Sirius (2,6 pc entfernt) Typ I 7/ 26

8 Wahrscheinlichkeit einer SN Entfernung 8 pc UV-Fluss verdoppelt Wahrscheinlichkeit ergibt sich aus: - SN-Häufigkeit in Milchstraße (ein paar in 100 J.) - Häufigkeit Sonne kreuzt Spiralarm (einmal in 10 Gj.) - Sterndichte der SN-Sterne 1 Ereignis pro Gj. Entfernung 6 pc 0,4 Ereignisse pro Gj. 8/ 26

9 Berechnung der GHZ 9/ 26 Prantzos, N., 2006

10 GHZ anderes Modell Angemessene Metallizität Umgebung frei von Supernovae Genügend Zeit für die biologische Entwicklung von komplexem (mehrzelligem) Leben 4 Gj. Sternentstehungsrate: α R -1 R... Galaktozentrische Distanz P GHZ = P metals x P SN x P evol x SFR 10 / 26

11 Lineweaver, C.H., Fenner, Y., Gibson, B.K., / 26 Innere Kontur: 68%, äußere Kontur: 95%

12 M-Sterne & habitable Planeten? PRO: geringe Masse, geringe Leuchtkraft, lange Lebenszeit, große Häufigkeit in Galaxie CONTRA: erdähnlicher Planet um M-Sterne nur schwach gegen Kosmische Strahlung geschützt Gründe: Kleine Bahndistanz dichtere stellare Winde weitere Komprimierung der Magnetosphäre Tidal Locking des Planeten reduziertes magnetisches Moment 12 / 26

13 Tidal Locking 13 / 26 Grießmeier, J.M., et al., 2008

14 Vergleich von acht Fällen Fall 1: Planet ohne Magnetfeld Fall 2: Erde (ohne tidal locking) Fall 3: Exoplanet (tidal locking) Fall 4: (hypotetischer) Exoplanet (ohne tidal locking) Fall 5: (hypotetische) Erde (tidal locking) Fall 6: kleine Supererde (tidal locking) Fall 7: große Supererde (tidal locking) Fall 8: Ozean-Planet 14 / 26

15 Wertetabelle 15 / 26 Grießmeier, J.M., et al., 2008

16 Einfluss der Bahndistanz Vergleich: Fall 2 mit Fall 4 & Fall 3 mit Fall 5 Ergebnis: gleiches Energiespektrum Grund: kleinere Magnetosphäre durch stärkeres Magnetfeld ausgeglichen Folgerung: Bahndistanz kein Einfluss 16 / 26

17 Einfluss des Tidal Locking Vergleich: Fall 2 mit Fall 5 & Fall 3 mit Fall 4 Ergebnis: bei Tidal Locking größeres Energiespektrum als ohne Grund: kleinere Magnetosphäre & konstantes Magnetfeld Folgerung: Ursache für stärkeren Kosmischen Strahlungsfluss bei M-Sternen: Tidal Locking & reduziertes magnetisches Moment 17 / 26

18 Einfluss des Planetentyps Vergleich 1: Fall 6 & 7 mit Fall 3 Ergebnis: 6 & 7 größere Magnetosphäre ABER größerer Abstand der Atmosphäre Folgerung: große Masse kein besserer Schutz 18 / 26 Vergleich 2: Fall 8 mit Fall 6 Ergebnis: 8 geringere Dichte geringeres magnetisches Moment Folgerung: Ozean-Planet schwächerer Schutz als Gesteinsplanet

19 Kosmische Strahlung Vergleich 19 / 26 Grenfell, J.L., et al., 2007

20 Auswirkungen: Produktion von NOx N2 + e - 2N + e - N + O2 NO + O Produktionsrate von NO x : PNOx(X) = kdn2(x) DN2... Zerstörungsrate molekularer Stickstoff k... NOx pro zerstörtem Stickstoffmolekül X... Masse der Atmosphäre 20 / 26

21 Produktionsrate von NOx 21 / 26 Grenfell, J.L., et al., 2007

22 Auswirkungen auf Biomarker Biomarker: Ozon, Lachgas, Wasser, Methan Veränderung von Höhe abhängig: Troposphäre (0-15 km): Ozon erhöht Stratosphäre (15-50 km): Ozon reduziert NOx in Höhe von km Ozon gleich Dichtere Atmosphäre: NOx weiter oben Ozonverlust Geringe Auswirkungen auf Ozon & Wasser 22 / 26

23 Descreening Sternatmosphären schützen Atmosphären & Oberflächen von Planeten vor Kosmischer Strahlung Stern in dichtere Region Sternatmosphäre zusammengepresst = Descreening schlechter vor Kosmische Strahlung geschützt Häufigkeit nimmt mit fallender Sternmasse ab 23 / 26

24 24 / 26 Smith, D.S. & Scalo, J.M., 2009 Sterngeschwindigkeit: 10 km/s Geschwindigkeit des stellaren Windes: 400 bzw. 50 km/s

25 25 / 26 Smith, D.S. & Scalo, J.M., 2009 Sterngeschwindigkeit: 26 km/s Größe der Sternatmosphäre = Größe der HZ

26 Referenzen Prantzos, N., 2006, A&A Lineweaver, C.H., Fenner, Y., Gibson, B.K., 2004, Science Grießmeier, J.M., et al., 2008 Grenfell, J.L., et al., 2007, ASTROBIOLOGY, 7,1 Smith, D.S. & Scalo, J.M., 2009, ASTROBIOLOGY, 9, 7 Plait, P., 2008, Death From The Skies!, S / 26