Op zoek naar de bouwstenen voor leven in het heelal

Transcriptie

1 Op zoek naar de bouwstenen voor leven in het heelal Ewine F. van Dishoeck Sterrewacht Leiden NASA/ESA/HST Carina nebula Studium Generale, Leiden, 3 november 2014

2 Oorsprong van sterren en planeten fascineert de mensheid Starry night Van Gogh Waar komen we vandaan? Wat is onze plaats in het universum?

3 Waarom sterrenkunde De grote vragen a Technische ontwikkelingen b Zwakke signalen uit het heelal drijven ontwikkeling meest gevoelige detectoren (CCDs, Röntgen,...) en vergen het uiterste van ingenieurs (bv. radiosterrenkunde onderdrukken ruis mobiele telefoons, WLAN, big data) Mondiale samenwerkingen g Voorbeeldfunctie met grote telescopen

4 Ontdekking van exo-planeten maakt eeuwenoude vragen actueel Waar worden sterren en planeten gevormd? Hoe uniek is ons zonnestelsel? Welke planeten zouden bewoonbaar kunnen zijn? Exoplanet.org Kepler

5 Onze Melkweg 50,000 lichtjr Zon NASA/JPL:R. Hurt Onze zon is 1 van de honderden miljarden sterren in de Melkweg

6 Kraamkamers van sterren: Interstellaire wolken Ruimte tussen de sterren is niet leeg, maar is gevuld met heel ijl gas Sterren worden geboren in de dichtere concentraties van het gas (=wolken)

7 AAT

8 Orion Nevel Christiaan Huygens (1694)

9 Orion nevel: Duizenden jonge sterren ESO-VLT ISAAC McCaughrean et al The chaotic material of future Suns W.Herschel (1789)

10 Orion nevel met de Hubble Space Telescope

11 AAT Paardekop nevel

12 Moleculaire wolken Carina nebula HST - Sterren worden gevormd in de koude, dichte concentraties van het gas - Wolken hebben voldoende massa om 10 5 sterren te vormen (efficientie paar %)

13 Donkere wolken: kolenzakken ESO J. Alves 99% gas (vnl. H 2 ) 1% stof (0.1 micron silicaten zand ) Temperatuur: ~10 K (-263 o C) Dichtheid: ~10000 deeltjes per kubieke cm (millioen keer minder dan in lab) Uniek chemisch laboratorium!

14 Hoe onderzoeken we wat er in die wolk gebeurt? Optisch Infrarood Langere golflengten! ESO; Alves et al. 2001

15 Van zichtbaar naar infrarood licht HH 46 protoster Zie animatie Spitzer/NASA website Spitzer Jonge ster is alleen zichtbaar in infrarood

16 Infrarode telescopen Very Large Telescope, ESO, Paranal Waarneemvoorstellen 2x per jr; oversubscriptie factor ~5

17 Mauna Kea, Hawaii Millimeter telescopen James Clerk Maxwell Telescope 15m UK-NL- Canada

18 Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array 54 12m m mm telescopen Llano de Chajnantor 5000m

19 ALMA Locatie ALMA perations + ssembly: OSF ~3000 m) rray: high site ~5000 m) VLT

20 20 ALMA opent zijn ogen

21 ALMA is een globale samenwerking Inauguratie 13 maart 2013 ESO/NRAO/NAOJ

22 ALMA in 2014 Een adembenemende ervaring! O/NRAO/NAOJ

23 Ruimte telescopen ISO Herschel 3.5 m HIFI-instrument Groot deel van infrarode straling uit de ruimte wordt geblokkeerd door onze atmosfeer (H 2 O, O 2 en CO 2 ) Spitzer

24 Rosette molecular cloud PACS & SPIRE mm Motte et al Herschel Space Observatory: Onthult de wolken

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

26 ~160 interstellaire moleculen E. Herbst.

27 Herschel-HIFI en Orion Bergin, Schilke et al. 2010, HEXOS

28 CH 3 OH Orion KL Zoom in

29 Orion: de grootste molecuulfabriek in de Melkweg Orion-KL Ieder molecuul heeft unieke vingerafdruk Bergin et al H 2 O CH km/s

30 Moleculen tussen de sterren Meer dan 160 verschillende moleculen gevonden Huis, tuin en keuken moleculen NH 3, H 2 O, H 2 CO, CH 3 CH 2 OH, OHCH 2 CH 2 OH,.

31 Serving the planet <1%

32 Moleculen tussen de sterren Meer dan 160 verschillende moleculen gevonden Huis, tuin en keuken moleculen NH 3, H 2 O, H 2 CO, CH 3 CH 2 OH,. Exotische moleculen HCO +, N 2 H +, HCCCCCCCN,. (zeldzaam op Aarde maar niet in de ruimte)

33 Complexe organische moleculen Gedetecteerd (Nog) niet gedetecteerd Azijnzuur Di-methyl ether Glycine Purine Ethanol Suiker Methyl cyanide Methyl formaat Pyrimidine Caffeine Gebaseerd op Ehrenfreund 2003

34 Polycyclische Aromatische Koolwaterstoffen R. Ruiterkamp NASA/D. Hudgins PAHN: PAHs met N

35 Ontdekking van interstellaire buckyballs Buckminsterfullerene Cami et al. 2010, NASA/Spitzer Voorspeld door Harry Kroto toen hij aan interstellaire lange koolstofketens werkte 1980 s

36 De interstellaire ijscocktail Moleculen bevriezen op koude stofdeeltjes => hydrogenatie, b.v. O -> H 2 O `Alcohol on the rocks

37 Sackler laboratory for astrophysics Sterrewacht Leiden Simulating 1 cm -3 of interstellar space Lab led by H. Linnartz

38 Samenvatting tot nu toe Interstellaire wolken hebben een rijke chemie ondanks de koude en ijle condities Complexe organische moleculen en water (ingredienten voor leven!) worden rond vrijwel alle vormende sterren gevonden, door de hele Melkweg Bouwstenen voor prebiotisch materiaal zijn wijd verspreid!

39 Hoe wordt een nieuwe ster en planeet gevormd? Ineenstorting wolk ESO

40 Scenario voor ster- en planeetvorming uitstroom Factor 1000 kleiner inval Ineenstorting wolk t=0 Roterende schijf t=10 5 jr Vorming planeten Zonnestelsel t= jr t>10 8 jr M. McCaughrean

41 Wat is verschil tussen ster en planeet?

42 Ster versus planeet Verschillen Scenario voor vorming Kernfusie Ster: Vormt uit een ineenstortende wolk H-verbranding: >0.08 M Zon Planeet: Vormt uit roterende schijf Geen D-verbranding: <13 M Jup, <10-2 M Zon 1 M Jup =10-3 M Zon =500 M Aarde

43 Stervorming in Orion Zie animatie HST website C.R. O Dell AMNH/SDSC

44 Protoplanetaire schijven Grootte ~10 10 km = 2xZon-Pluto HST O Dell et al. 1995

45 Protoplanetaire schijven Vrijwel alle jonge sterren omringd door schijf Grootte van schijven vergelijkbaar met ons zonnestelsel Massa van schijven meestal voldoende om zonnestelsel te vormen (1% van massa Zon, 10x massa van Jupiter) => Ingredienten voor vorming planeten zijn overal

46 Schijven zijn klein Carina nebula HST Wolk: cm Protoster: cm Schijf cm (100 AU; 1 AU = afstand Zon-Aarde) Hoge resolutie ALMA is nodig om in te zoomen op planeetvorming

47 Eerste stap in planeetvorming: Stofdeeltjes klitten aan elkaar tot grotere deeltjes

48 Eerste beelden exo-planeten HR 8799 GQ Lup 1RXSJ AU = 1 Astronomische Eenheid = afstand Zon-Aarde = 1.5x10 13 cm ESO/VLT, Gemini

49 Exo-planeten vs. ons zonnestelsel Ster Ups And Zon Zonnestelsel Aarde Jupiter

50 Diversiteit planetenstelsels Engelse gravure 1798 Collectie EvD+TdZ

51 Oorsprong diversiteit? Antwoord ligt in het verleden, in de evolutie van de schijf Kepler: Borucki et al >1000 exoplanets Hydro simulation Bryden et al. 1999

52 Planeet schuift gat in schijf Zie Animatie NASA/Spitzer website

53 ALMA waarnemingen gaten in schijven HD135344B HD Contrast factor 28 Perez et al Casassus et al. 2013, Fukagawa et al Gaten met asymmetrische stofverdeling - Indirecte aanwijzing planeten? IRS48 Geen mm stof 390 s Van der Marel et al. Science 2013

54 Puinschijven Fomalhaut Herschel 70 mm 100 AU Acke et al Kleine stofdeeltjes geproduceerd door botsingen planetesimalen - Twee planeten nodig om structuur te verklaren

55 Komeet Hale-Bopp Chemische samenstelling vergelijkbaar met interstellaire ijzen

56 Hoe komt materiaal op jonge planeet? NASA/ Spitzer Space Telescope

57 Inslag organisch materiaal vernietigd Zie animatie op Spitzer website Jonge planeet heet => weinig oorspronkelijk water en organisch materiaal over

58 Kunnen kometen organisch materiaal en water heelhuids op planeten brengen? Allamandola et al. Scientific American

59 Kringloop van sterren en planeten wij zijn allemaal sterrenstof Moleculen credit B. Saxton NRAO

60 Toekomstige ruimtemissies: infrared NASA James Webb Space Telescope (opvolger Hubble Space Telescope) Launch ~ m

61 European Extremely Large Telescope ~40m spiegel ~2024 gereed ESO

62 Samenvatting Water en organische moleculen worden 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 en organische moleculen kunnen door inslagen van kometen en asteroiden op nieuwe planeet worden gebracht Met nieuwe krachtige telescopen kunnen we naar het tweelingzusje van onze Aarde zoeken

63 Rosetta: landen op een komeet! 12 november 2014!! Zie college volgende week!

64 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 Atacama Large Millimeter array ESA Rosetta mission to comet sci.esa.int/rosetta/

65 Links naar filmjes ssc v4-herbig-haro t= /video/a/ t=22 ssc v1-when-worlds-collide