Post on 28-Jun-2022
ESTRELLAS ASTROBIOLÓGICAMENTE INTERESANTES: CRITERIOS MODERNOS PARA HABITABILIDAD
Gustavo F. Porto de Mello
Observatório do ValongoUniversidade Federal do Rio de JaneiroBrasil
PLAN DE LA CLASEIntroducción• Motivación científica y conceptos fundamentales• Detección remota de vida fotosintética
Concepto de Habitabilidad• Hipótesis y modelos: qué sabemos• Restriciones estelares: masas, edades, composición química• Restriciones planetárias: masas y propiedades intrínsecas• La Zona Continuamente Habitable• Edades, bioproductividad y habitabilidad a largo prazo
Seleccionando Estrellas Habitables• Fración de estrellas habitables en la Galáxia• Órbitas galácticas y otras controvérsias
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Discutir los critérios de caracterización de estrellas capaces deabrigar planetas con vida basada en la química del carbono y oceanos de água líquida (VIDA COMO LA CONOCEMOS)
Futuro inmediato: como detectar remotamente vida,como la conocemos, en exoplanetas de tipo telúrico?
Motivación Científica
Misiones: COROT (2006) y Kepler (2009)Planes: Darwin (ESA), Terrestrial Planet Finder (NASA)
Detección del PRIMER PLANETA TERRESTRÓIDE O TELÚRICO
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Hipótesis estelares y planetárias:
Água en la superfície por ~ Gano, actividad geológica, atmósfera de CO2 -H2 O-N2, , campo magnético, estabilidad climática, metalicidad límite, edad estelar, bioproductividad, órbita galáctica, resisténcia a catástrofes, etc
O3 seria observable en la atmósfera de la Tierra en el Proterozóico desde hace ~2 Gano
El Concepto de Zona Habitable
El tiempo de oxigenación es muy largo(Blair-Hedges et al 2004, Catling et al 2005) ~ 3 Gano: comparable a los tiempos de vida estelares
Restriciones modernas de habitabilidad en Astrobiologia
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Modelos climáticos:
Estabilización: feedback negativo:pCO2 si T (efecto invernadero : ciclo carbonato-silicato)
Efectos desestabilizadores (feedback positivo):pH2 O si T y albedo si T
Modelos climáticos:Kasting et al. (1993), Franck et al. (1999, 2000)
Habitabilidad galáctica y estelar:Gonzalez et al. (2001),Lineweaver et al. (2004),Porto de Mello et al. (2006)
Restriciones modernas de habitabilidad en Astrobiologia
Enfoques recientes:Habitability catalogue: Turnbull & Tarter (2003ab)Nearby Biostar catalogue: Porto de Mello et al. (2006)
El Concepto de Zona Habitable 5/35
Idea inicial: la manutención de água líquida en la superfície planetáriaEl Concepto de Zona Habitable 6/35
Ciclo carbonato-silicato: ciclo característico ~ 106 años
Remoción de todo carbono del oceanoy atmósfera em ~ 400 Mano
El Concepto de Zona Habitable 7/35
El Conceptode ZonaHabitable
EstrellasHabitables:
1- Masa
2- Luminosidad
3- Tiempo deVida
4- Edad
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Equación de Arrenhius: (1-a) Seff = 4σ
Tb4
Temperatura superficial: TS = Tb + ΔT(estufa)
Pérdida deOceanosSeff = 1.10
Efecto Invernadero DescontroladoSeff = 1.41
LÍMITE INTERIOR
Nubes de vapor de água pueden moderar este límite
☺
Venus nunca ha estadoen la zona habitable
El Concepto de Zona Habitable 9/35
LÍMITE EXTERIORPrimeraCondensaciónSeff = 0.53
Efecto EstufaMáximoSeff = 0.36
Equación de Arrenhius: (1-a) Seff = 4σ
Tb4
Temperatura superficial: TS = Tb + ΔT(estufa)
Nubes de CO2 tienenun efecto calentador
El daño climático puedeser rápido
☺
El Concepto de Zona Habitable 10/35
Criterio esencial: temperatura superficial estableLos límites dependen de la masa planetária (Kasting et al 1993, Franck et al 2003)
El Concepto de Zona Habitable 11/35
Criterio esencial: temperatura superficial estableLos límites dependen de la masa planetária (Kasting et al1993, Franck et al 2003)
El Concepto de Zona Habitable 12/35
Hipótesis : tiempo de vida en la secuéncia principal debe ser máslargo que el tiempo de oxigenación
Límite superiorTipo F9V-F7VMasa ~ 1.2 M
3.82 3.80 3.78 3.76 3.74 3.72 3.70 3.68-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
caso másfavorable
factorde cuatro
factor de dosen la luminosidad
17.4 Gano
12.2 Gano
8.6 Gano
6.5 Gano
5.9 Gano4.5 Gano
0.80
0.90
1.00
1.10
1.201.30
loga
ritm
o de
la lu
min
osid
ad (u
nida
des
sola
res)
logaritmo de la temperatura (Kelvin)
Metalicidad solar[Fe/H] = +0.00
Límite inferiorTipo K2V-K3VMasa ~ 0.7 M
El Concepto de Zona Habitable 13/36
3/16/1
0027.0 MQ
tPrtl ⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
Radio de Frenamiento de Marea(Tidal Lock Radius)
Cuestiones:
☺ resonanciasorbitales
Momentomagnético
Daño climático rápido
Fase inicial larga de flujos energéticos XUV y vientosestelares excesivos
0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
límite externode la ZCH
efecto de lametalicidadM = 0.66
M = 0.72
ZCH fuera de la zona defrenamiento de mareapor ~3 Gano
radio de frenamientode marea en 3 Gano
límite internode la ZCH
dist
anci
a (U
A)
masa estelar
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Campos Magnéticos:
Desvian el flujo de partículas energéticasAlargan el prazo de erosión atmosférica
El Concepto de Zona Habitable 15/35
Límite inferior de masa: problema con fase inicial de viento+exceso XUV
Tipo ~FGK (Sol): fase saturada ~ 100 Mano, flujos 100-1000 xTipo ~KM (enanas rojas): fase saturada ~ 1 Gano o más!
Güdel et al 1997
Fuerte cambio en las tasasde fotodisociación
Fotoquímica atmosféricamuy distinta
Efectos climáticos
Origen de la vida?Ribas et al. (2009)
Flujos deAlta Energia
El Concepto de Zona Habitable 16/35
Wood et al 2002
Límite inferior de masa: problema con fase inicial de viento+exceso XUV
Tipo ~FGK (Sol): fase saturada ~ 100 Mano, flujos 100-1000 xTipo ~KM (enanas rojas): fase saturada ~ 1 Gano o más!
Remoción de~ 10% to 100%de todos losvolatilesen ~ 1-2 Gano !
Vientos dePartículasCargadas
El Concepto de Zona Habitable 17/35
Planetas oceánicos?3 M ⊕
< M < 10 M ⊕(Léger et al 2004)
Tipo MarteM < 0,5 M⊕
Gigantes de hieloM > 10 M ⊕
Tipo Tierra0,5 M ⊕
< M < 3 M⊕
Masas Planetárias
Pero! Permanecen cuestiones de actividad geológicay capacidad de generar un campo magnético
Robustez: estabilidad climática (resisténcia a factores internos y externos)Planetas de masa mayor podrían tener zonas habitables más anchas
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Metalicidad y Formación PlanetáriaClara relación entre el contenido metálico estelar y la presenciade planetas gigantes (pero, hasta el momento, no de planetasde clase telúrica (Mayor 2009))
Fisher & Valenti (2005)
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Metalicidad y Formación Planetária
Masa α
101.5[Fe/H] (Lissauer 1995)
También: las proporciones de [Si/Fe] y [Mg/Fe]La proporción de litosfera y núcleo (tectónica)Convección en el núcleo planetário (magnetismo)
Masaplanetáriamedia enfunción deltiempo
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Calentamiento radiogénico:
Principal fuente de calor interno de la Tierra
40K vida-média = 1.3 Gano235U vida-média = 0.7 Gano238U vida-média = 4.6 Gano232Th vida-média = 14.1 Gano
Producción nucleosintética
versus
Diluición y desintegración radioactiva de [X/Fe]
Incertidumbre del valor de 40K/K en la Tierra
Aún la Metalicidad21/35
La Zona Continuamente Habitable y Tiempos de Vida
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La Zona Continuamente Habitable y Tiempos de Vida
Franck et al (1999, 2000)
Modelos geologicamente dinámicos
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La Zona Continuamente Habitable y Tiempos de Vida
Sol como una
SUBGIGANTE
3 veces más luminoso60% más grande
~6 billones deaños en el futuro
Don Dixon (Scientific American)
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La Zona Continuamente Habitable y Tiempos de Vida
Sol como una
GIGANTE ROJA
2350 veces másluminoso
165 veces mayor
~8 billones deaños en el futuro
Radio máximo de150 millones de km
Don Dixon (Scientific American)
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Franck et al (1999, 2000)Bioproductividad (biomasa/tiempo/área): pCO2 > 150 ppmGramíneas y otras espécies inferiores: pCO2 > 10 ppm
La Zona Continuamente Habitable y Tiempos de Vida26/35
La edad de la biosfera altamente diversificada (animales y plantas)es menos que 20% del tiempo total de vida de la biosfera!!!
La Zona Continuamente Habitable y Tiempos de Vida27/35
Seleccionando Estrellas Habitables
1.00
0.40
0.50
0.63
0.79
1.58
1.26
maximumdiversity?
oceansevaporate
all lifekilled
lifedetectable
lifearises
Δ L ~ 50%
5890 5750 5620 5500 5370
Δ L ~ 43%age = 4.6 GyrSun
9
age ~ 3-10 Gyr
7
5
3
1
9
8
65
43
21
7
6
4
3
21
61 Vir
1.00
0.95
lum
inos
ity
temperature
solarmetallicity
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Leitch & Vasisht 1998: extinciones en masa
Balázs (2000), Lépine et al (2001, 2003): co-rotación en la órbita solar
Riesgos: Supernovas, estallidos de rayos gama, nubes moleculares gigantes y impactos cometários, glaciaciones, etc...Elis & Schramm (1993), Gehrels et al. (2003), Gies & Helsel (2005), muchos otros
Órbitas Galácticas y Controvérsias29/35
Balázs (2000), Lépine et al (2001, 2003): co-rotación en la órbita solar
El Sol como una estrellade órbita casi circular
Órbitas Galácticas y Controvérsias30/35
Órbitas Galácticas y Controvérsias31/35
The Sun
Órbitas Galácticas y Controvérsias32/35
HD 102365
Órbitas Galácticas y Controvérsias33/35
Dos tercios de las estrellas vecinas pasan MENOS tiempo que elSol dentro de los brazos espirales
Estrellas másviejas hacenexcursionesverticalesmás longasfuera delplanogaláctico
Órbitas Galácticas y Controvérsias34/35
Discutimos restricciones teóricas para la habitabilidad planetária, estelar y galáctica:
Aplicando estos números a las estrellas de la vecindad solar:
~7% son astrobiologicamente interesantes
~1% son efectivamente similares al Sol
Temas interesantes para la investigación:
La importáncia (o no) de las órbitas galácticas
Modelos planetários com un gran espacio de parámetros
Simulaciones más realistas
Conclusiones y Perspectivas35/35
MuchasGracias !
EL SANTO GRAAL: LA DETECCIÓN SIMULTÁNEA DE O3 + CO2 + H2 O
Detección Remota de VidaContraste favorable entre estrella y planeta en el infrarojo térmico
Motivación Científica4/36
El Concepto de Zona Habitable
Kasting et al. (1993)
El criterio esencial: temperatura superficial estable
Estrellas Múltiplas
Estrellas de tipo solar ~70% está en sistemas binários o múltiplos
Dos problemas:
Possibilidad efectiva deformación planetária:
Barbieri et al (2002)Planetesimales en Eps Eri y 47 UMa
Thébault et al (2002)Planetesimales en Alfa Centauri
Estabilidad orbital en binárias:
Pendleton & Black (1993)Holman & Wiegert (1997,1999)Mitchenko & Porto de Mello (2009)→ limitaciones, erosión de la zona habitable (104 órbitas), problemas de coplanaridad, movimientos de corto período
zona externa
zonas internas
Estrellas Múltiplas: Estabilidad orbital en binárias:
Mitchenko & Porto de Mello (2008)→ Estudio del sistema de Alfa Centaurilimitaciones, erosión de la zona habitable (104 órbitas), problemas de coplanaridad, movimientos de corto período
Estrellas MúltiplasEstabilidad orbitalen binárias:
Mitchenko & Porto de Mello (2008)
limitaciones, erosiónde la zona habitable(104 órbitas), problemas de coplanaridad, movimientos de corto período
El Concepto de Zona Habitable
EstrellasHabitables:
1- Masa
2- Luminosidad
3- Tiempo deVida
4- Edad
0 1 2 3 4
Origen?
RNA
Procariotes
Fotosínteseaeróbica
Eucariotes
ExplosiónCámbrica
Metazoários
Inteligénciacognitiva
PaleozóicoMesozóicoCenozóico
Arqueozóico Proterozóico
La Zona Continuamente Habitable y Tiempos de Vida
El Concepto de Zona Habitable
oxigenación
Restriciones modernas para el concepto de habitabilidaden Astrobiologia
Incertidumbre del valor de 40K/K en la Tierra
Aún la Metalicidad
Calentamiento radiogénico:
Principal fuente de calor interno de la Tierra
40K vida-média = 1.3 Gano235U vida-média = 0.7 Gano238U vida-média = 4.6 Gano232Th vida-média = 14.1 Gano
Producción nucleosintética
versus
Diluición y desintegración radioactiva de [X/Fe]
The 13 “biostars” within 10 parsecs
HD Name mass age [Fe/H] orbit rank d(pc)
1581 ζ
Tuc ~ ~ ~ > 8.64628 < ? < ~ 7.510476 107 Psc < ? < > 7.516160 < ? ~ > 7.232147 < ~ > > 8.8100623 < > < > 9.5102365 < > < > 9.2109358 β
CVn > ~ < ~ 8.4
115617 61 Vir ~ ~ ~ > 8.5185144 σ
Dra < > < > 5.8
190248 δ
Pav > ~ > ~ 6.1192310 < > ~ > 8.8219134 < ? ~ > 6.5
Plus: 18 biostars between 10 pc and 15 pc: a solar twin (Porto de Mello & da Silva 1997)and Alpha Mensae are . Four stars are ( ) and four more are ( )
NOT ONE OF THEM WITH PLANETS !!!
Candidates: age and metallicity
Porto de Mello & Lyra 2005: chromospheric activity
Strong exponentialdecay in ~ 1 Gyr
Same behavior:Ca II HKX-raysMass loss
Initial heavybombardment period~ 0.5 to 1.0 Gyr(Hartmann 2004)
Stars with chromospheric indicators suggesting ~ 1 Gyr are eliminated
Candidates: age and metallicity