Rosetta: waar komt het water in onze oceanen vandaan? Ewine F. van Dishoeck Sterrewacht Leiden

Transcriptie

1 Rosetta: waar komt het water in onze oceanen vandaan? Ewine F. van Dishoeck Sterrewacht Leiden 24 februari 2016

2 Kernvraag: hoe zijn wij 4.5 miljard jaar geleden gevormd? Komeet Rosetta Meteorieten Meteorieten en kometen zijn bodes uit het vroege zonnestelsel

3 Ons zonnestelsel is geboren in een interstellaire wolk Carina nebula NASA/ HST - Diameter wolken: enkele lichtjaar; Massa: ~10 4 M Sun - Wolken zijn donker omdat ze kleine stofdeeltjes bevatten

4 Interstellaire stofdeeltjes Silicaten, grafiet Stofdeeltje met ijsmantel 0.1 µm - Stofdeeltjes absorberen en verstrooien UV straling beschermen moleculen - Water en complexe moleculen worden gevormd op stofdeeltjes

5 Periodiek systeem voor astronomen qua aantal Stof deeltjes: qua aantal B. McCall 2001

6 Vorming van water op stofdeeltjes Gebaseerd op Leiden experimenten Sackler laboratorium Cuppen, Linnartz et al. 2010

7 Vorming van sterren en planeten Zoom-in Jonge ster Schijf B. Saxton NRAO

8 Van wolk tot komeet Carina nebula NASA/ HST Artist implression schijf NASA/JPL/ R. Hurt Moleculen: Wolken Schijf Planeten, kometen Samenstelling kometen = samenstelling oerwolk?

9 Ruimte telescopen ISO Spitzer Groot deel van straling water uit ruimte wordt geblokkeerd door atmosfeer (i.h.b. H 2 O, O 2 en CO 2 ) Herschel HIFI instrument - SRON

10 Eerste detectie water reservoir in schijf Herschel-HIFI p-h 2 O GHz o-h 2 O GHz Schijf heeft voldoende water voor 6000 oceanen Hogerheijde et al. 2011, Science

11 Vorming planetesimalen in schijven Zie filmpje

12 Van stof tot planeten stof, bakstenen < meters Kometen Planetesimalen kilometers Planeet embryos Maan (1 AU)-to-Mars (2 AU) grootte NASA J. Lunine

13 Kometen: ijzige rotsblokken Bodes uit ons vroege zonnestelsel Komeet Hale-Bopp E. Kolmhofer, H. Raab Kometen zijn restanten planetesimalen die het niet tot een planeet hebben gemaakt Brengen 4.5 miljard jaar door in koude buitendeel van ons zonnestelsel Hebben kometen water en organische moleculen op aarde gebracht?

14 Typisch 2 glazen water per seconde Max 5 liter water per seconde Komeet 67 P/C-G Jets Stof / ijs ~1

15 Instrumenten op orbiter Ion analyzer Dust imaging Mm spectroscopy Mass spectrometer Dust analyzer Radio Sounding Plasma O/IR spectroscopy O/IR imaging UV spectroscopy Plasma magnetism

16 ROSINA team Katrin Altwegg Hans Balsiger, Andre Beler

17 ROSETTA has a very good nose (DFMS) ROSETTA nose (DFMS) 67P A. Bieler

18 Hoge massa resolutie unieke identificatie m/z-28: CO vs N 2 m/z=19: HDO vs H 2 17 O en 18 OH m/ m>1500 Spacecraft achtergrond ROSINA: Altwegg et al Rubin et al. 2015

19 ROSETTA has a very good nose (DFMS) Why is this there?? ROSETTA nose (DFMS) 67P

20 ROSETTA has a very good nose (DFMS) Why is this there?? And so much of it? ROSETTA nose (DFMS) 67P

21 Komeet bevat verrassend veel O 2! O 2 /H 2 O= 3.7±1.5% 10x meer dan verwacht Bieler et al. 2015, Nature, October 29 Geen O 3 Rubin et al. 2015, ApJ Letters Halley Is ons zonnestelsel in een vrij warme wolk geboren? K vs 10 K

22 Oorsprong water op aarde ESA/NASA/Herschel Herschel-HIFI komeet Hartley 2: Zelfde verhouding: HDO/H 2 O=

23 HDO/H 2 O in wolken en bij komeet HIFI Hartley 2 ESA/NASA/ Herschel Hartogh et al. 2011, Nature

24 Waarom water? Chemie van leven speelt zich af in water Onze cellen zijn voornamelijk water Leven ontstaat in water Geologie en klimaat van onze aarde (en dat van exo-planeten) wordt bepaald door water.. wikipedia

25 Belang van de water ijslijn Waterijs versnelt vorming van (reuze) planeten Akeson 2011

26 Sneeuwlijn op aarde

27 Alles bij-elkaar heeft aarde niet zoveel water image credit: NOAO + Jack Cook (Woods Hole) & Howard Perlman (USGS) 71% oppervlak bedekt met water Volume 1.4x10 9 km 3

28 Water reservoirs in ons zonnestelsel Aarde Morbidelli et al vd et al Aarde heeft meer water dan huidige asteroiden in zijn omgeving - Oorspronkelijke water afwezig of verdampt, moet later worden aangeleverd

29 Chaos in ons vroege zonnestelsel Gomes et al You Tube Nice model

30 Hoe komen water-rijke planetesimalen bij aarde? Water arm J S Water rijk Eccentriciteit Asteroide Gordel Droog Nat Aarde Afstand tot ster Grand Tack scenario Walsh et al. 2011

31 HDO/H 2 O als diagnostiek Maan Aarde (H 2 O) Fractionatie Oernevel (H) IS wolk (H) D/H ~ 2.7 x 10-5 bij Oerknal ~ 2.5 x 10-5 bij vorming zonnestelsel 4.5 miljard jaar geleden ~ 2.3 x 10-5 in interstellaire wolken nu Kern fusie

32 Fractionatie Verhouding D/H in molecuul is veel hoger dan totale D/H in gas bv. ND 3 /NH 3 =10-2 (waargenomen) i.p.v. (2x10-5 ) 3 =10-14 Komt veel voor in koude wolken }12 ordes van grootte! Temperatuur <20 K drijft reacties richting deuterium

33 HDO/H 2 O als diagnostiek Maan Jupiter familie Kometen Oort wolk Hartley2 Aarde 67 P value: Altwegg et al Oernevel IS wolk - Alle kometen hebben HDO/H 2 O binnen factor 2 van Aarde - Oorsprong maakt niet uit (67 P hoog primitief!) - Dynamica: meer asteroiden dan kometen op jonge aarde

34 HDO/H 2 O als diagnostiek Maan Jupiter familie Kometen Oort wolk Protosterren H2 Aarde (H 2 O) Oernevel (H) IS wolk (H) Protosterren Persson et al HDO/H 2 O protosterren binnen factor 2 van Aarde - Is HDO/H 2 O al bepaald in de interstellaire wolk? Water older than the Sun (Cleeves et al. 2015)

35 HDO/H 2 O in ons zonnestelsel Aarde Hoog HDO/H 2 O Morbidelli et al vd et al Gradient over zonnestelsel

36 Hoe komen water-rijke planetesimalen bij aarde? Water arm J S Water rijk Eccentriciteit Droog Asteroide Gordel Hoog HDO/H 2 O) Planetesimalen (o.a. kometen) Nat Aarde Afstand tot ster Walsh et al. 2011

37 Rosetta: de rosetta steen voor begrip van onze oorsprong??

38 Samenvatting Water wordt overal in de donkere wolken in de ruimte gevormd Wolken storten ineen om nieuwe sterren en planeten te vormen Meeste jonge sterren hebben voldoende materiaal om planetenstelsel te vormen Water kan door inslagen van kometen en asteroiden op nieuwe planeet worden gebracht Rosetta geeft voor het eerst in situ informatie over vroege zonnestelsel; 67 P primitief Water ouder dan de aarde

39 Acknowledgments Figuren en filmpjes van: European Southern Observatory NASA/Hubble Space Telescope hubblesite.org NASA/Spitzer Space Telescope ESA/Herschel Space Observatory herschel.esac.esa.int ESA Rosetta mission to comet sci.esa.int/rosetta/

40 Links naar filmjes Forming-a-Planetary-Gap Organics-in-Planet-Forming-Disks Rosetta: zie ESA Rosetta website Water vorming: Zie klik op outreach