Die Galaktische Habitable Zone

Die Galaktische Habitable Zone
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Überblick
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GHZ  Metallizität, Supernovae, ...
Planeten um M-Sterne  habitabel?
Einflüsse von Bahndistanz, Tidal Locking &
Planetentyp auf Habitabilität
Kosmische Strahlung  Auswirkungen auf
Atmosphäre & Biomarker, Descreening
Zirkumstellare HZ & Galaktische HZ
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CHZ: Huang (1959)  Bereich, innerhalb dem
flüssiges Wasser auf Planetenoberfläche
möglich  abhängig von Leuchtkraft &
Bahndistanz
GHZ: Gonzales et al. (2001)  physikalische
Prozesse von räumlicher & zeitlicher Position
in Milchstraße abhängig
Metallizität
Anteil von Planeten
um Stern mit 1M als
Funktion deren Masse
 Hohe Metallizität:
unterschiedlicher
Massebereich
 Geringe Metallizität:
erdähnliche Masse
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Prantzos, N., 2006
Lineweaver, C.H., Fenner, Y., Gibson, B.K., 2004
Galaktozentrische Distanzen zwischen 2,5 kpc
(oben) & 20,5 kpc (unten); gelb: Sonne;
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Supernovae
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Harte Röntgenstrahlung, Gammastrahlung,
Kosmische Strahlung
 zerstören Ozon in Atmosphäre  kein
Schutz gegen UV-Strahlung
Zerstören Protozoen & Bakterien,
Sekundärteilchen zerstören Zellen/ DNA
SN in Erdnähe
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Atmosphäre Säulendichte: ca. 100 g/cm²  ca.
1% der Strahlung erreicht Erdboden
Annahme: Leben am Land vernichtet  UVStrahlung von Wasser absorbiert  in einigen
100 Mio. Jahren: Neubildung
Erdumgebung: Beteigeuze (130 pc entfernt) 
Typ II, Sirius (2,6 pc entfernt)  Typ I
Wahrscheinlichkeit einer SN
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Entfernung ≤ 8 pc  UV-Fluss verdoppelt
Wahrscheinlichkeit ergibt sich aus:
-
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SN-Häufigkeit in Milchstraße (ein paar in 100 J.)
Häufigkeit Sonne kreuzt Spiralarm (einmal in 10 Gj.)
Sterndichte der SN-Sterne
 1 Ereignis pro Gj.
Entfernung ≤ 6 pc  0,4 Ereignisse pro Gj.
Berechnung der GHZ
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Prantzos, N., 2006
GHZ – anderes Modell
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Angemessene Metallizität
Umgebung frei von Supernovae
Genügend Zeit für die biologische Entwicklung
von komplexem (mehrzelligem) Leben  4 Gj.
Sternentstehungsrate: α R-1
R... Galaktozentrische Distanz
 PGHZ = Pmetals x PSN x Pevol x SFR
Lineweaver, C.H., Fenner, Y., Gibson, B.K., 2004
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Innere Kontur: 68%, äußere Kontur: 95%
M-Sterne & habitable Planeten?
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PRO: geringe Masse, geringe Leuchtkraft,
lange Lebenszeit, große Häufigkeit in Galaxie
CONTRA: erdähnlicher Planet um M-Sterne
nur schwach gegen Kosmische Strahlung
geschützt  Gründe:
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Kleine Bahndistanz  dichtere stellare Winde 
weitere Komprimierung der Magnetosphäre
Tidal Locking des Planeten  reduziertes
magnetisches Moment
Tidal Locking
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Grießmeier, J.M., et al., 2008
Vergleich von acht Fällen
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Fall 1: Planet ohne Magnetfeld
Fall 2: Erde (ohne tidal locking)
Fall 3: Exoplanet (tidal locking)
Fall 4: (hypotetischer) Exoplanet (ohne tidal locking)
Fall 5: (hypotetische) Erde (tidal locking)
Fall 6: kleine Supererde (tidal locking)
Fall 7: große Supererde (tidal locking)
Fall 8: Ozean-Planet
Wertetabelle
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Grießmeier, J.M., et al., 2008
Einfluss der Bahndistanz
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Vergleich: Fall 2 mit Fall 4 & Fall 3 mit Fall 5
Ergebnis: gleiches Energiespektrum
Grund: kleinere Magnetosphäre durch
stärkeres Magnetfeld ausgeglichen
Folgerung: Bahndistanz kein Einfluss
Einfluss des Tidal Locking
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Vergleich: Fall 2 mit Fall 5 & Fall 3 mit Fall 4
Ergebnis: bei Tidal Locking größeres
Energiespektrum als ohne
Grund: kleinere Magnetosphäre & konstantes
Magnetfeld
Folgerung: Ursache für stärkeren Kosmischen
Strahlungsfluss bei M-Sternen: Tidal Locking &
reduziertes magnetisches Moment
Einfluss des Planetentyps
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Vergleich 1: Fall 6 & 7 mit Fall 3
Ergebnis: 6 & 7 größere Magnetosphäre ABER
größerer Abstand der Atmosphäre
Folgerung: große Masse kein besserer Schutz
Vergleich 2: Fall 8 mit Fall 6
Ergebnis: 8 geringere Dichte  geringeres
magnetisches Moment
Folgerung: Ozean-Planet schwächerer Schutz als
Gesteinsplanet
Kosmische Strahlung – Vergleich
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Grenfell, J.L., et al., 2007
Auswirkungen: Produktion von NOx
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N2 + e-  2N + eN + O2  NO + O
Produktionsrate von NOx:
PNOx(X) = kDN2(X)
DN2 ... Zerstörungsrate molekularer Stickstoff
k ... NOx pro zerstörtem Stickstoffmolekül
X ... Masse der Atmosphäre
Produktionsrate von NOx
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Grenfell, J.L., et al., 2007
Auswirkungen auf Biomarker
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Biomarker: Ozon, Lachgas, Wasser, Methan
Veränderung  von Höhe abhängig:
–
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Troposphäre (0-15 km): Ozon erhöht
Stratosphäre (15-50 km): Ozon reduziert
NOx in Höhe von 10-20 km  Ozon gleich
Dichtere Atmosphäre: NOx weiter oben 
Ozonverlust
Geringe Auswirkungen auf Ozon & Wasser
Descreening
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Sternatmosphären schützen Atmosphären &
Oberflächen von Planeten vor Kosmischer
Strahlung
Stern in dichtere Region  Sternatmosphäre
zusammengepresst = Descreening
 schlechter vor Kosmische Strahlung
geschützt
Häufigkeit nimmt mit fallender Sternmasse ab
Smith, D.S. & Scalo, J.M., 2009
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Sterngeschwindigkeit: 10 km/s
Geschwindigkeit des stellaren Windes: 400 bzw. 50 km/s
Smith, D.S. & Scalo, J.M., 2009
Sterngeschwindigkeit: 26 km/s
Größe der Sternatmosphäre = Größe der HZ
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Referenzen
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Prantzos, N., 2006, A&A
Lineweaver, C.H., Fenner, Y., Gibson, B.K., 2004, Science
Grießmeier, J.M., et al., 2008
Grenfell, J.L., et al., 2007, ASTROBIOLOGY, 7,1
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Smith, D.S. & Scalo, J.M., 2009, ASTROBIOLOGY, 9, 7
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Plait, P., 2008, „Death From The Skies!“, S 101-148
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