ESTRELLAS ASTROBIOLÓGICAMENTE INTERESANTES: …

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 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


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

☺


Criterio esencial: temperatura superficial estableLos límites dependen de la masa planetária (Kasting et al 1993, Franck et al 2003)


Criterio esencial: temperatura superficial estableLos límites dependen de la masa planetária (Kasting et al1993, Franck et al 2003)


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


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


Campos Magnéticos:

Desvian el flujo de partículas energéticasAlargan el prazo de erosión atmosférica


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


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


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

20/35

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

22/35


Franck et al (1999, 2000)

Modelos geologicamente dinámicos

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Sol como una

SUBGIGANTE

3 veces más luminoso60% más grande

~6 billones deaños en el futuro

Don Dixon (Scientific American)

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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


The Sun


HD 102365


Dos tercios de las estrellas vecinas pasan MENOS tiempo que elSol dentro de los brazos espirales

Estrellas másviejas hacenexcursionesverticalesmás longasfuera delplanogaláctico


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


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


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



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

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