The set of habitable planets and astrobiological regulation mechanisms

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1 The set of habitable planets and astrobiological regulation mechanisms Vukotić International Journal of Astrobiology 9(2): Jose Delgado

2 Einleitung (1) Ziel der Analyse (genauere Modellierung) mögliche Anzahl habitabler Planeten in der Galaxis zeitliche Variation des habitablen Bereichs / der habitablen Bereiche Problematik bisheriger (numerischer) Modelle Unsicherheit hinsichtlich der Input-Daten, z.b.: - Sternentstehungsraten - Initial Mass Function(IMF) - Häufigkeit von Regulationsereignissen - Struktur und Lage extrasolarer Planetensysteme Mangelndes Verständnis der relevanten Entwicklungsprozesse (der astrobiologischen Dynamik) Definition von Leben (?)

3 Einleitung (2) Vukotić(2010): [Astronomical Observatory (Belgrade) Serbia] genauere Spezifikation der Input-Parameter Monte-Carlo Simulation des habitablen Bereichs Konzept der Stochastik: durch das Substituieren der Werte für den jeweiligen (unsicheren) Faktor können verschiedene Modelle von möglichen Ereignissen erstellt werden [=> Generierung von Zufallswerten z.b.: Anzahl habitabler Planeten] Bestimmung und Analyse der Regulationsmechanismen - lokale Sterilisation - partielle Sterilisation des habitablen Bereichs - totale Sterilisation des habitablen Bereichs

4 Einleitung (3) GHZ (Definition): GHZ is that region in the Milky Way where an Earth-like planet can retain liquid water on its surface and provide a long-term habitat for animal-like aerobic life. [Gonzalez und Brownlee (2001)] Relevante Frage: [NASA /JPL Caltech/ R. Hurt (SSC-Caltech), b] In welcher astrobiologischen Phase befindet sich unsere Galaxis? => relativ tot (Erde als n=1) => oder eventuell in einem astrobiologischen Phasenübergang?

5 Relevante Modell-Parameter 1. Begrenzungen der GHZ - innere Grenze - äußere Grenze 2. Anzahl potentieller Habitate => Funktion der Begrenzungen der GHZ 3. Globale Regulationsmechanismen (GRM) - Gamma-ray bursts(grb) - Supernovae (SNe) - Kollisionen (Festkörper) 4. Globale Risikofunktion

6 1. Begrenzungen der GHZ Problem: Räumliche und zeitliche Ausdehnung der GHZ unklar Prantzos(2008): GHZ umfasst die gesamte dünne Scheibe. Lineweaver et al.(2004): konservativerer Ansatz -Alter: zwischen 4 und 8 Milliarden Jahre - ringförmigen Bereich - galaktozentrische Distanz: 7 bis 9 kpc - langsame Ausdehnung durch chemische und dynamische Evolution Pena-Cabrera und Durand-Manterola(2004): -innere Begrenzung: 4 kpc (ev. 3 kpc) Argument Vukotić(2010): Sternenpopulation der dicken Scheibe generell > 10 Milliarden Jahre ( Existenz sonnenähnlicher Sterne unwahrscheinlich) => Fokus dünne Sch.

7 1. Begrenzungen der GHZ

8 2. Anzahl potentieller Habitate (1) Masse der stellaren Komponenten in der GHZ in 10 9 Sonnenmassen äußere Begrenzung innere Begrenzung Lineweaver et al.(2004)

9 2. Anzahl potentieller Habitate (2) Gewählte Parameterwerte der GHZ: -innerer Radius: 3 kpc -äußerer Radius: 15 kpc - Begrenzung +/- zur galaktischen Ebene: 400 pc Sterne mit zirkumstellarer habitabler Zone: - Spektralklassen: F bis K [Kasting et al. (1993)] -Massebereich: 0,6 < M sonne < mögliches Fehlen einer zirkumstellaren HZ - Hot Jupiters (mögliche Zerstörung habitabler Planeten) Ermittelte Anzahl potentiellerhabitate: ~ 10 9 zirkumstellarehabitablezonen sehr starke Abhängigkeit vom gewählten Massebereichund dem inneren Radius der GHZ.

10 3. Globale Regulationsmechanismen (1) Regulationsmechanismen: -GRB (Typ α) -SNe(Typ β) -Festkörperkollisionen können zur vollständigen oder partiellen Sterilisation habitabler Planeten(systeme) führen. ev. ein wichtiger Faktor bei der Evolution einfacher Lebensformen hin zu komplexen Strukturen: - Beschädigung der Biosphäre habitabler Planeten - Öffnung ökologischer Nischen - Besetzung der Nische / beschleunigte Evolution [Dar et al. (1998)] - nach biologischem Reifeprozess => höhere astrobiologische Komplexität

11 3. Globale Regulationsmechanismen(2) Gamma-raybursts(GRBs) -können für eukaryotischeslebenauch bei d >10 kpctödlich sein. - mind biologisch signifikante ultraviolette Bestrahlungsereignisse im Verlauf der Erdgeschichte -Dünne Scheibe: ~ 2000 Ereignisse (letzten 10 Milliarden Jahren) - Zusammenfallen von GRB-Ereignissen (?) - Abnehmende Häufigkeit (=> biologische Übergangsphase?) - Zentralle Rolle bei Synchronisierung biologischer Uhren auf galaktischer Ebene (gerade bei zeitgleichem Vorkommen)

12 3. Globale Regulationsmechanismen(3) Supernovae (SNe) -SN-Rate um Faktor 10 5 höher als bei GRBs. [Scalo& Wheeler (2002)] - Gefahrenbereich für Biosphären: < 10 pc < 1 kpc[karam(2002)] - Netto-Einfluss der Summe der SNe: um Faktor 10 2 höher als die Summe der GRBs. - Rate der SNe und GRB folgt grob der Sternentstehungsrate (Abnahme der Sternentstehungsrate mit der Zeit) - Öffnung längerer evolutionärer Zeitfenster => Entstehung einer stabilen astrobiologischen Umwelt => Möglichkeit der Evolution und Diversifikation

13 3. Globale Regulationsmechanismen (4) Kollision zwischen Festkörper - keine GRBs/ wenige historische SNe beobachtet -Astrobiologischer Effekt von Kometen und Asteroiden in unserem Sonnensystem nachgewiesen - Stellenwert und Häufigkeit impaktspezifischer Katastrophen in der evolutionären Geschichte der Erde stark unterschätzt [Circovic(2007)] -Unterstellte Verbindung zwischen dem Durchgang der Sonne durch die galaktische Ebene und Impakte von Meteoriten Möglicherweise räumliche Konzentration von habitablen Planetensyst. gegeben (abhängig von der Häufigkeit der Durchgänge)

14 4. Globale Risikofunktion Unterschiedliche Globalitätsgrade der Regulationsmechanismen Kometenwolke, Asteriodengürtel < SNe < Gamma-ray bursts hochenergetischer GRB kann weite Teile der GHZ sterilisieren => globalste Form des Regulationsmechanismus => Synchronisation astrobiologischer Uhren in weiten Teilen der GHZ ( Uhr auf Null stellen ) Globale Risikofunktion: Summe aller globalen Regulationsmechanismen und astrobiologisch negativ wirkender Ereignisse (z.b. planetarer Vulkanismus) => derzeit unbekannt

15 Stochastisches Modell der GHZ (1) Gewählte Parameterwerte der globalen Regulationsmechanismen: -GRB (Typ α): 200 -SNe(Typ β): Globale Extinktionswahrscheinlichkeit(Q) : Q = 0,5 bzw. Q =0,99 Anzahl der habitablen Planeten: Alter: x 10 3

16 Stochastisches Modell der GHZ (2) Astrobiologischer Phasenübergang ( tote => lebendige Galaxie) - Zeitpunkt stark von Q abhängig - starke Verzögerung der Entstehung habitabler Systeme (bei Q ~ 1) Annahme von Vukotic(2010): -befinden uns in Phase astrobiologischen Ungleichgewichts Alter: x 10 3

17 Anmerkungen (Interpretationsmöglichkeiten) Versagen der Suche nach extraterrestrischem Leben => Konsequenz der stochastischen Natur globaler Regulationsmechanismen => mögliche Erklärung des Fermi-Paradoxons

18 [1] Vukotic B The set of habitable planets and astrobiological regulation mechanisms. International Journal of Astrobiology 9(2): [2] Gonzalez G Habitablezonesin theuniverse.orig. Life Evol. Biosph. 35: [3] LineweaverC, FennerY, Gibson B The Galactic Habitable Zone and the Age Distribution of Complex Life in the Milky Way. Science [2] 303 (5654): [4] Karam PA Radiat. Phys. Chem. 64: [5] Gonzalez G, Brownlee D The Galactic Habitable Zone I. Galactic Chemical Evolution. Icarus. 152: [6] Pena-Cabrera G, Durand-MarentolaH AdvanceSpace Res. 33: [7] Prantzos N Space Sci. Rev. 135: [8] Scalo J, Wheeler JC Astrophys. J. 566: [9] Dar A, LaorA, ShavivNJ Phys. Rev. Lett. 80: [10] Cirkovic MM Int. J. Astrobiol. 6: Literatur