Astrobiologie: Van Kosmologie tot Planeten

Transcriptie

1 Astrobiologie: Van Kosmologie tot Planeten Prof. Marco Spaans Kapteyn Instituut, RUG

2 Overzicht College Inhoud 1 Overzicht + Wat is Astrobiologie? Inleiding, wetenschappelijke aanpak & context. 2 Sterrenkundige Achtergrond (Aantekeningen + Slides) Achtergrond/Overzicht van Kosmologie tot Planeten 3-4 Leven & Leefbare Werelden (Hfstk 1-2) De basis van leven op Aarde. Voorwaarden, oorsprong, diversiteit, evolutie,... Extremophiles 5-6 Zoeken naar Leven in het Zonnestelsel (Hfstk 3-5) Zoektocht/missies, Mars, Venus, Europa, Titan, Exo-Planeten (Hfstk 6-8) Planeetvorming, zoektochten, leven, Buitenaardse Intelligenties (Hfstk 9) Drake eqn, SETI, CETI, Fermi-paradox,... Boek: An introduction to Astrobiology Iain Gilmour & Mark. A. Sephton

3 Van Kosmologie tot Planeten In dit college komen de volgende thema's aan de orde: Het Vroege Heelal Donkere Materie Structuurvorming Stervorming & Sterdood Planeetvorming

4 Het Vroege Heelal: De beginvoorwaarden

5 Het Heelal gaat door verschillende fases: Planck fase GUT/ElectroZwakke fase Deeltjesfase Nucleosynthese (protonen, neutronen) Nucleonen (kernen) Atomen (H/He) Massa Structuren (sterren, stelsels, planeten, etc.)

6 Planck fase sec. Quantum Mechanica & Algemene relativiteit zijn even belangrijk en vormen een geheel (verschillende theorieen). GUT & Electrozwakke fase sec. Alle krachten (Zwaarte, EM, etc.) zijn verenigd in een kracht (GUT) waarna ze afsplitsen. Deeltjesfase sec. Elementaire deeltjes (quarks & leptonen) vormen, materie/anti-materie vormen uiteindelijk fotonen. Nucleosynthese sec 3 min. Nucleonen (protonen, neutronen) vormen, waaruit zich vervolgens waterstof- en helium-kernen vormen. Nucleonen 3 min 380,000 jaar. Kernen, electronen en straling zijn in evenwicht (kernen houden geen electronen vast -> geioniseerd). Atomen & Structuurvorming 380,000 jaar -... Neutraal gas vormt sterren, structuren, etc.

7 Vorming van Waterstof & Helium In het vroege Heelal zijn er ~7x meer protonen dan neutronen. 2p+2n vormen een helium kern Er zijn dus 12x meer waterstof atomen als helium atomen. In massa is de verhouding: 4/12, dus 25% helium + 75% waterstof Beide elementen domineren nog steeds de zichtbare materie in het Heelal

8 Theoretische Modellen & Waarnemingen Theoretische voorspellingen zijn in overeenkomst met de waarnemingen. Dit is een ondersteuning van de Oerknal theorie. Maar, gewone materie is slechts 4% van alle gemeten materie plus energie (/kritische dichtheid).

9 Kosmische Achtergrondstraling Straling uitgezonden toen het Heelal afkoelde tot ~3000K. De straling laat fluctuaties zien die het gevolg zijn van dichtheidsverschillen in het vroege Heelal. Kosmische Achtergrond : 380,000 jaar na de oerknal

10 Kosmische Achtergrondstraling Fundamentele ondekking en tevens ondersteuning van de Oerknal theorie Arno Penzias en Robert Wilson, ontdekkers van de Kosmische Achtergrond met de Bell-Labs microgolf antenne. (1965; Nobel prijs in 1978)

11 Straling heeft een perfecte Planck vorm vanwege evenwicht tussen deeltjes en fotonen in het vroege Heelal. Temperatuurfluctuaties komen voor op alle schalen, maar vooral op ~1 graad (grootte van het Heelal na ~400,000 jaar).

12 Donkere Materie: Niet alles is zichtbaar

13 Donkere Materie: Dynamisch Bewijs De snelheden waarme objecten bewegen, bijv. in het zonnestelsel of de Melkweg, worden bepaald door de massa binnen de baan van het object. Spiraalstelsels roteren sneller dan wat zichtbare materie kan verklaren -> Indicatie voor Donkere Materie? Rotatie kromme

14 Donkere Materie: Rotatiekromme Sterrenstelsels hebben halos van donkere materie. Dopplerverschuiving van spectraallijnen geeft snelheid van gas en sterren. De halos helpen ook te verklaren hoe sterrenstelsels vormen (zie later in college).

15 Donkere Materie: Röntgen & Lenzen Donkere Materie wordt ook gevonden door Röntgen-waarnemingen en gravitatie lenzen (afbuiging van licht door massieve objecten) Evenwicht gasdruk en gravitatie Afbuiging licht in gravitatieveld

16 Stuctuurvorming: Van Grote Schaal tot Sterrenstelsels

17 Grote Schaal Structuur Structuren groeien onder de invloed van zwaartekracht. Donkere materie domineert de zwaartekracht en dus ook de formatie van massieve structuren. Het gas en de sterren volgen eerst de donkere materie in hun verdeling, maar later minder.

18 Grote Schaal Structuur Massa structuren groeien in de tijd van kleine 0.003% dichtheids fluctuaties na 400,000 jaar tot 100%+ fluctuaties na 14 miljard jaar (nu). Donkere materie vormt een Kosmisch Web

19 Grote Schaal Structuur Waarnemingen laten structuur zien ten alle tijden en op alle schalen

20 Numerieke simulaties met donkere materie laten een vergelijkbaar Kosmisch Web zien

21 Vorming van sterrenstels Het Kosmisch Web is drie-dimensionaal met filamenten, clusters en muren.

22 Verschillende Scenarios voor de Vorming van Spiraal & Elliptische Stelsels

23 Van Spiraal tot Elliptische stelsels Gedurende en na de samensmelting van twee gasrijke spiraalstelsels vindt stervorming plaats: gas wordt omgezet in sterren

24 Samensmelting van twee spiraalstelsels leidt ook tot een elliptisch stelsel: Numerieke modellen laten dit ook zien Twee sterk roterende spiraalstelsels smelten samen: hun schijven worden omgezet tot een elliptische ster-massa. Tijdens dit process vindt ook stervorming plaats, gas->sterren

25 Types Sterrenstelsels

26 Spiraalstelsels Kenmerk: prominente roterende schijf, soms een bulge of balk in het centrum Elliptische Bulge Schijf Spiraalstelsels bevatten veel gas & stof -> stervorming

27 Spiraalstelsels Sombrero spiraalstelsel met prominente bulge, maar ook een schijf met gas en stof NGC1300, spiraalstelsel met een prominente balk en hele duidelijke spiraalarmen met stervorming

28 Spiraal- of elliptisch stelsel? Lenticulars hebben een schijf maar niet echt spiraalstructuur Langzame overgang tot elliptische stelsels?

29 Elliptische stelsels Worden gedomineerd door een elliptische bulge component en bevatten vaak weinig gas -> weinig stervorming

30 Onregelmatige stelsels Vaak kleine gasrijke stelsels, welke noch spiraalstructuur hebben, noch een elliptische component

31 Hubble Diagram Een interessante classificatie, maar waarschijnlijk te eenvoudig.

32 Stervorming

33 Overzicht van spiraalstelsel (bv. onze Melkweg) Centrale bulge van oude sterren Een schijf met ook jongere massieve sterren, gas & stof; Vooral in de spiraalarmen Het stelsel wordt omgeven door een donkere-materie halo In deze halo bevinden zich ook sterren en bolhopen van sterren

34 Spiraalarmen: Stervorming Spiraalarmen zijn blauwer dan de rest van het stelsel. Dit geeft aan dat er jongere hetere sterren zijn. Deze sterren zijn massiever en leven korter. Stervorming vindt dus actief en tegenwoordig plaats.

35 Stervorming in Moleculaire Wolken: Het Interstellaire Medium (ISM) Absorptie-spectra van sterren laten zwaardere elementen (bv. koolstof, silicium, etc.) zien in het ISM. Het licht van een ster wordt geabsorbeerd door elementen in het gas tussen de ster en ons.

36 Stervorming in Moleculaire Wolken: Het Interstellaire Medium (ISM) Eagle nebula (HST). Donkere moleculaire wolken. Sterren vormen in de dichtste delen van deze wolken (5 lichtjaar).

37 Stervorming in Moleculaire Wolken: Het Interstellaire Medium (ISM) Moleculaire wolken bevatten naast gas (verrijkt met zwaardere elementen) ook veel stof (molekulen!)

38 Stervorming in Moleculaire Wolken: Het Interstellaire Medium (ISM) Stervorming wordt zichtbaar op lange golflengtes (infrarood) die minder door stof worden geabsorbeerd.

39 Stervorming in Moleculaire Wolken: Het Interstellaire Medium (ISM) Waarom wordt niet al het gas meteen in sterren omgezet? Magneetvelden lopen door het ISM. Geioniseerde deeltjes volgen dit magneetveld. Door botsingen met het gas wordt ineenstorting van de wolk vertraagd.

40 Stervorming in Moleculaire Wolken: Het Interstellaire Medium (ISM) Computersimulatie: wolk fragmenteert, zwaartekracht overkomt druk & magneetveld. In gas van hoge dichtheid vormen sterren.

41 Stervorming in Moleculaire Wolken: Het Interstellaire Medium (ISM) Supercomputer simulatie van de vorming van een ster in het vroege Heelal (geen zware elementen).

42 Protostellaire Schijven & Jets Vorming van een protostellaire schijf met een jet, welke geioniseerd gas terugbrengt naar het ISM. In deze schijf vormen zich later ook de planeten.

43 Protostellaire Schijven & Jets

44 Van Protoster tot Hoofdreeks

45 Demografie van Sterren: Massa Sterren met lage massa (<2M zon ) komen veel frequenter voor dan hoge massa sterren (>2 M zon ) Nucleosynthese stopt hier Ster wordt instabiel

46 Sterclassificatie Herzsprung-Russell Diagram Sterren vormen een reeks als functie van hun temperatuur, (massa) en helderheid. Jonge sterren liggen op de Hoofdreeks. Oudere sterren evolueren en worden reuzesterren, welke later via planetaire nevels of supernovae hun gas verliezen.

47 De Hoofdreeks van Sterren Eigenschappen: Helderheid neemt toe met temperatuur en massa. Zware sterren leven veel korter. Voorbeeld: Een ster heeft een helderheid welke L/L zon ~ (M/M zon ) 4 Een ster van 10 zonsmassa is dus 10,000 maal helderder dan de zon en brandt zijn gas op in een tijd 10/10,000 ~ maal die van de zon (10 7 jaar).

48 Evolutie van een 1-zonsmassa Ster Aan het eind van zijn leven op de hoofdreeks (waterstof is op in de kern van de ster), begint de He kern samen te trekken en H in een schil eromheen te branden. De buitenlaag van de ster zet uit (dit gebeurt twee maal).

49 Evolutie van een 1-zonsmassa Ster De ster beweegt zich van de hoofdreeks af en wordt groter en helderder, maar ook kouder. De ster wordt een Rode Reus.

50 Evolutie van een 1-zonsmassa Ster Als de kern heet genoeg wordt, begint He te fuseren.

51 Evolutie van een 1-zonsmassa Ster De hele levensloop in samenvatting

52 Evolutie van een 1-zonsmassa Ster Als He is uitgeput, werpt de ster zijn buitenlagen af en wordt een planetaire nevel. De kern blijft achter als een witte dwerg.

53 De Levensloop van onze Zon? Over 8 Gigajaar is de zon groter dan de baan van de Aarde, maar eerder wordt de Zon al veel te helder voor leven zoals wij dat nu kennen op Aarde.

54 De levensloop van Zware Sterren 4p -> He Zware sterren zetten waterstof om in helium via de CNO cyclus. C, N, O helpen als catalysten in deze cyclus, maar worden niet verbruikt.

55 De Levensloop van Zware Sterren Net als bij lage-massa sterren vindt er uiteindelijk verbranding plaats in schillen, maar nu worden ook zwaardere elementen gevormd.

56 De Levensloop van Zware Sterren Massieve sterren worden Rode Superreuzen. Sterrenwinden laten deze sterren veel massa verliezen voor ze de hoofdreeks verlaten (verrijking ISM).

57 De Levensloop van Zware Sterren Kernfusie vindt plaats tot ijzer is bereikt, daarna is het energetisch niet meer voordelig om kernen te fuseren. Voor kernen zwaarder dan ijzer levert alleen kernsplitsing energie op.

58 De Levensloop van Zware Sterren Waargenomen abundanties van elementen in onze Melkweg t.o.v. waterstof. Dit representeert de productie van deze elementen in (vooral zware) sterren. Alles zwaarder dan ijzer vormt in supernovae.

59 De Levensloop van Zware Sterren Zware sterren exploderen als Supernova en laten een neutronenster of zwart gat achter, afhankelijk van de massa van de ster. Krab Nevel, 1054 na Chr. Hierin wordt de meeste massa van de ster teruggeblazen naar het ISM, wederom verrijkt met zware elementen.

60 Recente Supernova, 1987A

61 Recente Supernova, 1987A Door deze recente SNe weten we nu veel meer over de details van SN explosies

62 Vorming van Planeten (meer in college -8-,vooral over Aardachtige planeten)

63 Uit de moleculaire wolk waaruit sterren onstaan, onstaan ook planeten. Uit de schijf rond de protoster condenseren proto-planeten, die groeien onder de invloed van hun zwaartekracht. Resterend gas wordt weggeblazen door de ster of opgeveegd door de planeten. Nog meer details in College -8-

64 Stof/gasschijven rond Sterren Schijven komen rond veel jonge sterren voor.

65 Stof/gasschijven rond Sterren De centrale ster verhit het gas/stof. Gas met waterstof condenseert zich alleen ver van de ster.

66 Stof/gasschijven rond Sterren Planetoiden groeien vervolgens door accretie van kleinere stofdeeltjes en botsingen met grotere. In de buitendelen van de schijf wordt ook gas ingevangen -> Gasplaneten.

67 In samenvatting Samentrekking gas/stof Condensatie van vaste deeltjes Accretie van planetoiden Opschonen van de schijf

68 Stof/gasschijven rond Planeten Net als rond sterren vormen zich ook schijven rond massieve planeten in de buitendelen van het planetenstelsel. Manen, ringen, etc kunnen ontstaan uit deze schijven.

69 Ons Zonnestelsel als Voorbeeld

70 Het Zonnestelsel en Erbuiten... Rond het zonnestelsel bevindt zich een gordel van planetoiden,k ometen, etc.: Kuiper gordel. Daarbuiten bevindt zich de Oort Wolk, met nog meer kometen. Door botsingen, etc. komen sommige kometen in een baan die ze in het zonnestelsel brengt

71 Het Zonnestelsel en Erbuiten... Gasplaneten kunnen ook objecten van baan veranderen en richting de Aarde sturen.

72 65 miljoen jaar geleden... Inslagen van meteorieten/kometen vindt nog steeds plaats en hebben invloed op het leven op Aarde.

73 Objecten in het Zonnestelsel interessant voor Astrobiologie (meer in college 5-6)

74 Mars: Een planeet met atmosfeer, seizoenen, en ooit leven? Opportunity lander onderzoekt of leven mogelijk is (geweest) op Mars (2004).

75 Mars Meteoriet: ALH84001 Structuren in deze meteoriet lijken op die gemaakt door bacterien (op aarde) -> indicatie voor leven?

76 Manen rond gasplaneten Op kleine schaal vormen zich rond gasplaneten schijven waaruit zich manen ontwikkelen. Sommige manen zijn ingevangen door de planeet. Sommige manen (bv Europa, Titan) zijn interessante objecten voor Astrobiologie.

77 Europa: Een Maan met Oceanen? Oppervlak lijkt op dat van ijsschotsen.

78 Titan: Een Maan met Atmosfeer Opname ruimtemissie Cassini Titan is omgeven met een atmosfeer van methaan, honderden km boven het oppervlak. Sommige wetenschappers denken dat dit vergelijkbaar is met de vroege Aarde.

79 Titan: Een Maan met Atmosfeer Beelden van het oppervlak van Titan m.b.v. de Cassini lander Huygens cm

80 The end...? Volgende week: Wat is leven?