Biosignaturen ExoPlaneten Detecting Life from Space Max Camenzind HD Max Camenzind

Transkript

1 Biosignaturen ExoPlaneten Detecting Life from Space Max Camenzind HD 2018 Max Camenzind

2

3 NASA Search for Life in Universe

4 Biosignaturen? Die Astrobiologie ist ein interdisziplinäres Forschungsgebiet, das sich mit fundamentalen Fragen zur Entwicklung des Lebens und den physikalischen und chemischen Bedingungen, die diesen Prozess beeinflussen, beschäftigt. Die Astrobiologie schaut dabei nicht nur ins Universum, sondern versucht auch die Entwicklung des Lebens auf der Erde zu verstehen und daraus Erkenntnisse für die mögliche Entwicklung des Lebens und der Suche nach möglichen Spuren außerhalb der Erde zu erlangen.

5 Inhalt - Vorgehensweise 1. Suche nach geeigneten ExoPlaneten Sie müssen Habitabel sein: Wasser etc. TESS und PLATO suchen neue ExoPlaneten im solaren Umfeld: Sterne im Visier. 2. Betrachte die Erde als ExoPlanet - das Erdschein-Spektrum verrät Biosignaturen. Wann ist Sauerstoff gebildet worden. Wie entsteht Ozon? 3. Strategie entwickeln: Wie entdeckt man Biosignaturen in Spektren von ExoPlaneten?

6 Sterne innerhalb 200 Lichtjahren

7 > 100 Mrd. Planeten da draußen!

8 Suche nach ExoPlaneten Radial-Geschwindigkeits-Methode Transit Methode Gravitatives Microlensing Direkte Abbildung 8

9 9

10 Super-Erde 40 Eridani A b / K0 V 16,5 LJ entfernt; P = 42,4 d; a = 0,2 AE; M > 8,5 E Kennen Sie 40 Eridani B? arxiv:

11 Das Tripel System 40 Eridani

12 12

13 Prinzip Transit wie Venus-Transit es werden nur einige Prozent erfasst: p = R * /a

14 Transits die erfolgreichste Methode 14

15 Transits mit Weltraum-Teleskopen sind viel genauer

16 Bestätigte ExoPlaneten

17

18 Klassen von ExoPlaneten 2018

19 Habitable Welten

20 Potenziell Habitable ExoPlaneten

21 Potenziell Habitable ExoPlaneten

22 TESS - Transiting Exoplanet Survey Satellite 22

23 TESS-Start am 18. April 2018

24 24

25 TESS: 4 Felder gleichzeitig

26 26

27

28

29

30 Vergleich mit Kepler-Feldern

31 31

32 Pi Mensae c 1. TESS-Planet Entfernung: 60 Lichtjahre Spektralklasse: G1 IV Stern-Masse: 1,1 M Sonne Temperatur T eff : 5888 K Bahnperiode: 6,3 Tage Masse: 0,015 M Jupiter Radius: 0,19 R Jupiter

33 Pi Mensae c Dichte von Wasser

34 Europa holt langsam auf ESA M Missionen Plato ExoPlanets SPICA - IR

35 Plato Mission / ESA Start 2025 G. Micela Bologna 5/03/2009

36 Pointings von Plato

37 Aktuell: BepiColombo fliegt zu Merkur

38 In 7 Jahren

39 Masse: 0,055 Erde Radius: km Dichte: 5,427 g/cm³ Temperatur: +167 C Albedo: 0,106 Abstrahlung: = EinS. Magnetfeld: schwach Atmosphäre: Sauerstoff: 42 % Natrium: 29 % Wasserstoff: 22 % Helium: 6 % Rotation: 58 d 15 h Inklination: 0, Halbachse: 0,387 AE Umlaufzeit: 87,96 d Exzentrizität: 0,20563 Periheldrehung: 1,4`` # Monde: -- Merkur der Götterbote

40 Aufnahme: Messenger/NASA

41 Erde als ExoPlanet mit Wasser Die Erde aus der Sicht des DSCOVR-Satelliten am 2. August 2017 in 10 verschiedenen Wellenlängen von 318 nm (Ultraviolett) bis 780 nm (Infrarot), die Helligkeiten jeweils in Falschfarben von Blau über Grün bis Rot dargestellt. Das Bild ändert sich mit der Wellenlänge erheblich: Der Kontinent Afrika z.b., im IR unten rechts bestens zu erkennen, ist im UV oben links unsichtbar. [NASA/NOAA]

42 Absolut gesehen ist die Erde bei 450 bis 550 nm Wellenlänge am hellsten, weil dies auch für die Sonne gilt und in allen 10 Farben dominiert ihr von Wolken reflektiertes Licht. Die Kontinente werden erst im Roten und nahen Infraroten hell, namentlich bei 780 nm, wo Vegetation stark reflektiert (IR-Fotografen kennen dieses Phänomen der weißen Wälder ), während sie sichtbares und vor allem UV- Licht schluckt. Ozeane wiederum sind bei 388 nm und im Blau-Grünen am hellsten. Weil die Wolken das Licht im Wesentlichen weiß reflektieren, lässt sich ihr Anteil am Gesamtsignal mathematisch entfernen, so dass auch getrennte Lichtkurven für Wolken und Erdoberfläche möglich sind: Dann wird im Tagesgang z.b. sichtbar, wie die großen tropischen Wolkensysteme auf die Tagseite rotieren, was einen 12-Stunden-Rhythmus erzeugt. In der gesamten Messreihe über zwei Jahre macht sich vor allem der Jahresgang bemerkbar, der über die schwankende geographische Breite unter dem Satelliten wirkt. Erdartige Exoplaneten mögen in mancher Beziehung ähnlich wie die Erde funktionieren, aber vieles könnte auch völlig anders sein: Wenn entsprechende Datenreihen für eine andere Welt in den kommenden Jahrzehnten tatsächlich vorliegen, kann die DSCOVR-Erfahrung nur eine grobe Richtung für die Interpretation vorgeben.

43 Erdatmosphäre als ExoPlanet

44

45 Kohlendioxid-Abbau Beim Wechsel zum Kambrium, vor etwa 600 Millionen Jahren, als die sauren Eisensalze im Meer aufgebraucht waren, änderte sich die Situation grundlegend. Die ersten Meeresorganismen bauten Körperschalen aus Kalk, was den Aufbau von mächtigen Kalksedimenten zur Folge hatte. Die Kalkgebirge wie die Schwäbische Alb oder der Schweizerische Jura zeugen noch heute davon. Die Meeresorganismen bauten im Laufe der Zeit den größten Anteil des atmosphärischen Kohlenstoffdioxidanteils ab, so dass der Kohlenstoff im Kalk der Sedimente und Gebirge chemisch gebunden wurde. Gleichzeitig nahm der Sauerstoffgehalt der Atmosphäre zu und die Grundlagen für die "modernen" Lebensformen waren geschaffen. Heute ist in den kalkhaltigen Sedimenten und Gebirgen der größte Anteil Kohlenstoff gespeichert.

46

47 A) no oxygen produced by biosphere B) oxygen produced, but absorbed in oceans and by seabed rock C) oxygen starts to gas out of the oceans, but is absorbed by land surfaces and formation of ozone layer. Lenton et al

48 Der Sauerstoff O2 spielt die Hauptrolle bei der weiteren Entwicklung zur heutigen Atmosphäre. Cyanobakterien mit oxygener Photosynthese führten als C-Autotrophe zu einem weiteren Absinken der Kohlenstoffdioxidkonzentration, bildeten aber vor allem (möglicherweise schon vor etwa 3,5 Milliarden Jahren beginnend) Sauerstoff. Die Sauerstoffkonzentration der Atmosphäre blieb jedoch zunächst gering, weil der gebildete Sauerstoff in den Ozeanen bei der Oxidation von Eisen(II)-Ionen und Schwefelwasserstoff verbraucht wurde. Erst vor etwa zwei Milliarden Jahren begann Sauerstoff in die Atmosphäre zu entweichen, nämlich als die mit Sauerstoff reagierenden Stoffe knapp wurden. Vor einer Milliarde Jahren überstieg die Sauerstoffkonzentration der Atmosphäre drei Prozent, wodurch sich im Verlauf der nächsten 400 Millionen Jahre allmählich eine erste Ozonschicht bilden konnte. Vor Millionen Jahren stieg der Sauerstoffgehalt, bedingt durch das erste massenhafte Auftreten von Landpflanzen, rapide an und erreichte vor 350 Millionen Jahren erstmals das heutige Niveau. Nach mehreren starken Schwankungen während des Erdmittelalters erreichte der Luftsauerstoffgehalt schließlich den heutigen Wert von 21%.

49 Vulkanismus spielt eine wichtige Rolle 50

50

51 CO2-Anstieg durch Menschen

52 CO2 die letzten Jahre

53

54 Bringt Verkehrspolitik etwas?

55

56 Ozon-Sauerstoff-Zyklus

57 Suche nach Biosignaturen Schwieterman et al. 2018: Exoplanet Biosignatures: A Review of Remotely Detectable Signs of Life; ASTROBIOLOGY Volume 18, Number 6, DOI: /ast

58

59 Transmissions-Spektrum Stern-Spektrum durch Planeten-Atmosphäre 60

60

61 Pale Blue Dot Erde ExoPlanet Cassini

62 Albedo-Spektrum der Erdatmosphäre

63 Rayleigh Streuung Atmosphäre Rayleigh-Streuung, die Streuung des Lichts an Teilchen der Atmosphäre, deren Radius im Verhältnis zur Wellenlänge des Lichtes sehr klein ist; benannt nach J.W. Strutt Baron Rayleigh. Die Streuung der Lichtstrahlen beim Durchgang durch die Atmosphäre erfolgt an den Luftmolekülen und an den in der Luft schwebenden Partikeln. Bei der Rayleigh-Streuung, die für Luftmoleküle gilt, ist das Ausmaß der Streuung umgekehrt proportional λ 4 mit λ als Wellenlänge des Lichts. Je kleiner die Wellenlänge, also kurzwelliger die Strahlung ist, desto stärker wird das Licht gestreut. Infolge dieser Streuung wird das blaue Licht beim Durchgang durch die Atmosphäre entsprechend stärker gestreut als das rote. Maß für die Dichte.

64

65 Albedo Biosignaturen im Optischen Spektrum O 3 H 2 O H 2 O O 2 O 2 (VPL) Data: Woolf, Traub and Jucks 2001 Model: Tinetti et al., 2004 Wellenlänge ( m) O 2 (Leben) & Wasser (Habitabilität) sind einfach aufzuspüren. Oberflächen Biosignaturen (Chlorophyll) sind auch detektierbar.

66 Biosignaturen im Erd-MIR-Spektrum MGS-TES: Christensen & Pearl, 1997 VPL Earth Model: Tinetti et al, % cloud cover MIR ist sensitiv auf atmosphärische Spurengase, als Zeichen für Habitabilität und Leben. O 3 CH 4 H 2 O CO 2 H 2 O

67 Spektren der inneren Planeten im Sonnensystem sind unterschiedlich? CO 2 CO 2 VENUS X 0.60 EARTH-CIRRUS O 2 H 2 O H 2 O O O 3 2 H 2 O H 2 O Iron oxides MARS EARTH-OCEAN H 2 O ice

68 Terrestrische Planeten im MIR N 2 O CH 4 O 3 H 2 O H 2 O OCS CO SO 2 2 CO 2 ice CO 2

69 Albedo der Erde in Zeitentwicklung Rayleigh Scattering ARCHEAN PROTEROZOIC MODERN O 2 CH 4 H 2 O CO 2 CH 4 CO 2 O 3 H 2 O H 2 O CH 4 H 2 O O 2

70

71 Albedo-Spektrum NIR-Spektrum MIR-Spektrum VRE = Vegetation Red Edge Biosignature

72 Albedo Vegetation Red Edge VRE

73 Terrestrische Planeten in 10 pc

74 Entwicklung Erdatmosphäre Atmosphärische Zusammensetzung an 6 Epochen Daten nach Kaltenegger et al Epoch Time (Gyr) N2 CO2 O2 CH4 O3, N2O and trace elements % 10% 0% Trace 0.10% % 1% 0% 0.20% 0.98% % 1% 0.02% 0.70% 0.28% % 1% 0.20% 0.40% 0.40% % 1% 2% 0.04% 0.46% % 0.04% 21% Trace 0.96% Time ( O3, N 2 O a n d t r a c e e l e m 75