Habitable Zone

Habitable Zone
Zone around a star where liquid water can exist
on the surface of a terrestial-like planet
This zone depends on:
– the spectraltype , the mass , the age, …. of the star
– the orbit of the planet
– the mass, the composition, the atmosphere , ……of
the planet
– the parameters of other planets in this system
(mass, orbit, …)
Huang (1959, 1960)
führte den Begriff „habitable zone“
Dole (1964), Shklovski & Sagan (1966)
sprachen von „ecosphere“
Region um einen Stern, wo sich auf
einem Planeten Leben entwickeln
kann.
Sonnenentwicklung
Leuchtkraft der Sonne (Lo) nimmt zu:
hatte zu Beginn 0.71 von Lo
wird ca. 3xLo haben am Ende der
Hauptreihenphase
ca. 300Lo in der Roten Riesen Phase
und wächst auf 6000 Lo an in der AGB
Phase
Änderung der Sonnenenergie
-> Änderung der effektiven Temp.
Habitable Zone & Star Evolution
CHZ =
continuously
habitable zone
= Bereich der
über mehrere
Jahrmilliarden in
der HZ liegt
(Sternentwicklu
ng!)
HZ im Sonnensystem (Kasting)
innere Grenze:
0.95 AU (Wasserdampf bildet sich in der
Stratosphäre), bzw.
0.85 AU (Temperaturanstieg infolge eines
runaway greenhouse-Effekts)
äußere Grenze bei 1.37 AU (Bildung von CO2Wolken)
CHZ zwischen 0.95 und 1.15 AU
Size of the habitable zone
based on
the
definition
given by
Kasting et
al.
(1993).
Planet ist außerhalb der HZ
Planet benötigt eine interne Wärmequelle
um Eis od. Permafrost zu schmelzen
Planet ist näher beim Stern als HZ
 Wasser würde verdampfen
WASSER – H20
Wasserstoff entstand im Gefolge des Urknalls.
Unter Bedingungen, die an vielen Stellen von
Galaxien herrschen (niedere Temperaturen,
Existenz von interstellaren Staubteilchen - an
deren Oberflächen H mit H reagiert) kam/kommt es
zur Bildung von H2.
Sauerstoff wurde/wird bei ≥500 Mio. Grad im
Inneren von Sternen erzeugt. Durch Konvektion
wird ein Teil des O an Sternoberfläche
transportiert und in weiterer Folge gelangt Materie
auch in den interstellaren Raum (etwa bei
Supernova-Explosionen). Aus ISM entstehen neue
Sterne + Planeten + Monde +…
WICHTIGE FRAGEN ZUM THEMA
BEWOHNBARKEIT VON PLANETEN:
WAS HAT UNSER PLANETENSYSTEM
WAS ANDERE NICHT HABEN?
WAS HAT UNSERE ERDE WAS ANDERE
PLANETEN NICHT HABEN?
 GRUNDVORAUSSETZUNGEN FÜR
UNSER LEBEN
WAS HAT UNSER PLANETENSYSTEM?
RICHTIGE ZENTRALGESTIRN:
•
Unsere Sonne ist der optimale Stern für komplexes Leben
•
Ausreichend lange Lebenszeit des Sterns
•
Zeigt nicht zu viel Aktivität
•
Nicht zu hohe UV Strahlungsanteile
STABILE UMLAUFBAHNEN DER PLANETEN:
•
Großplaneten dürfen kein orbitales Chaos verursachen
GASPLANETEN VON DER GRÖSSE JUPITERS:
•
Nicht zu weit entfernt, aber auch nicht zu nahe
•
Großplanet schützt vor Kometen und Asteroiden
EIN MARSÄHNLICHER PLANET:
•
Ein kleiner Nachbar, als mögliche Quelle des Lebens.
(Hat ein Marsmeteorit das Leben auf die Erde gebracht?)
WAS HAT UNSERE ERDE WAS ANDERE
PLANETEN NICHT HABEN?
RICHTIGE ENTFERNUNG VON DER SONNE:
•
Erde ist weit genung von der Sonne entfernt, um umlaufsynchrone
Planetenrotation zu verhindern (Merkur: gebundene Rotation)
•
Flüssiges Wasser an der Oberfläche
•
Geeignete Umweltbedingungen für komplexes Leben
EIN GROSSER MOND:
•
In der richtigen Entfernung
•
Stabilisiert die Neigung der Erdachse
RICHTIGE NEIGUNG DER PLANETENACHSE:
•
Nicht zu starke jahreszeitliche Schwankungen
GIGANTISCHE EINSCHLÄGE AUS DEM ALL:
Nicht zu viele
Kein sehr großer Einschlag, der zur globalen Sterilisation in
der Anfangszeit führt.
RICHTIGE PLANETENMASSE:
•
Atmosphäre und Ozean werden gehalten
•
Genügend Eigenwärme damit Plattentektonik statt findet
•
Fester bzw. Geschmolzener Kern
OZEANE:
•
nicht zu viele und nicht zu wenige
PLATTENTEKTONIK:
•
Karbonat-Silikat-Zyklus als langfristiger Thermostat
•
Bildung von Landmassen
•
Aufbau eines Magnetfeldes
RICHTIGE ATMOSPHÄRE:
•
Richtiger Gehalt an Kohlenstoff (genügend für die Organismen
aber nicht zu viel, damit es nicht zum Treibhauseffekt a la Venus
kommen kann)
•
für passende Temperatur,
•
chemische Zusammensetzung,
•
adäquater Luftdruck für Pflanzen und Lebewesen
SAUERSTOFFANREICHERUNG IN ATMOSPHÄRE
•
Entwicklung der Photosynthese
•
Nicht zu viel und nicht zu wenig
•
Beginn zum richtigen Zeitpunkt
Habitable Zone
Zone around a star where liquid water can exist
on the surface of a terrestial-like planet
This zone depends on:
– the spectraltype , the mass , the age, …. of the star
– the orbit of the planet
– the mass, the composition, the atmosphere , ……of
the planet
– the parameters of other planets in this
system (mass, orbit, …)
Habitable Zone
aus dynamischer Sicht
Langzeitstabilität der Planetenbahnen
kleine Exzentrizitäten
60% haben e > 0.2
40% haben e > 0.3
Types of Habitable Zones:
(1)Hot-Jupiter type
(2) Solar system type
(3)+(4) giant planet type: habitable moon
or trojan planet
Extra-solare Planetensysteme:
 1Stern – 1Gasplanet
1Stern – mehrere Gasplaneten
ExoStab
nicht
anwendbar
DoppelStern –
1Gaspl.
What‘s ExoStab?
A www-tool that helps to verify the stability of
a terrestrial planet in
Single Star and Single Planet Systems
www.univie.ac.at/adg/exostab/
E.Pilat-Lohinger, S. Eggl, Th. Winkler
www.univie.ac.at/adg/exostab/
ExoStab
appropriate for single-star single-planet system
- Stability of an additional planet
- Stability of the habitable zone (HZ)
- Stability of an additional planet with repect to the HZ
Stability of an additional planet
known parameters of system:
mass of star [M_sun]: 0.51
mass of giant planet [M_jup]: 0.271
semi-major axis of giant planet [AU]: 4.5
eccentricity of giant planet: 0.15
+/- error of eccentricity: 0.1
newly discovered planet:
Probable range of semi-major axis for the new planet:
semi-major axis of planet [AU]: 2.3
+/- error of semi-major axis: 0.5
System Data Exocatalogue Data
mass of star:
0.5 [M_sun]
mass of giant planet:
0.0003
[M_sun]
semi-major axis of giant planet: 4.5 [AU]
eccentricity of giant planet:
0.15
+ error of ecc of giant planet:
0.25
- error of ecc of giant planet:
0.05
inner border of add. Planet:
outer border of add. Planet:
mass ratio:
1.8 [AU]
2.8 [AU]
0.0005
additional information:
1
0.4
0.62
0.0005
The EXOCATALOGUE:
http://www.univie.ac.at/adg/
552 Stabilitymaps --- mass-ratios 0.0001 – 0.05
Details:
Sándor, Zs., Süli, A., Érdi, B., Pilat-Lohinger, E. and
Dvorak, R.: "A Stability Catalogue of the Habitable zones
in Extrasolar Planetary Systems", Monthly Notices of the
Royal Astronomical Society (MNRAS), 2006
How to use the catalogue
HD114729: m_p=0.82 [Mjup]
(0.93 [Msun])
a_p= 2.08 AU
e_p=0.31
mr=0.001
HZ: 0.7 – 1.3 AU
µ = 0.005
HD10697:
(1.15 Msun)
m_p= 6.12 [Mjup]
a_p = 2.13 AU
e_p = 0.11
HZ: 0.85 – 1.65 AU
Target star catalogue for Darwin
(L. Kaltenegger )
ExoStab applied to Darwin target stars:
70Vir, HD285968, GJ674, -- Gl86,HD242, HD10647 -- HD17051, HD27442, HD33564
HD52265, HD70642, HD93083 -- HD101930, HD111232, HD114386
HD114783,HD134987, HD150706 -- HD154345, HD164922,HD216437
Multi-planetary systems:
Classification of the known
multi-planet systems
(S.Ferraz-Mello, 2005)


Class Ia –> Planets in mean motion resonance
Class Ib  Low-eccentricity near-resonant planet
pairs

Class II Non-resonant planets with significant
secular dynamics

Class III Hierarchical planet pairs
Giant planets near the
5:2 resonance and their influence
on terrestrial planets
in the habitable zone
E. Pilat-Lohinger (Univ.Vienna)
Aron Süli (Univ.Budapest)
Philippe Robutel (IMCCE)
Florian Freistetter (Univ. Jena)
Motivation
A study of
Extra-solar planetary systems
similar to
our solar system
Initial Conditions and Computations
Saturn: a_sat = 8 ..... 11 AU
m_sat = 1 .... 30xm_Sat
Testplanets in the HZ:
a_tp = 0.6 ..... 1.6 AU
circular motion
Mercury 6 (J. Chambers)
Integration time:
20 mio years
HZ: maximum ecc.
HZ im Sonnensystem:



Kasting: 0.93 – 1.3 AU
Mischna: 0.93 – 1.7 AU
Forget: 0.93 – 2 AU
a< 0.93 AU  H2O becomes a major atmospheric compound and is rapidly lost
to space after UV photolysis
a>1.3 AU  CO2 condensates in the atmosphere producing CO2-clouds, that
can affect significantly the T-CO2 coupling
Sun – Jupiter – Saturn
(See e.g. Murray & Dermott, Solar System Dynamics)
Sun – Jupiter – Saturn
Influence of a third giant planet
Jupiter – Saturn -Uranus
Jupiter -- Saturn
Influence of a third giant planet
Jupiter – Saturn -Uranus
Jupiter -- Saturn
Sun-Jupiter-Saturn-Uranus
Influence on an Earth-like planet at 1 AU
Initial Conditions and Computations
Jupiter: on its orbit
Mercury 6 (J. Chambers)
Saturn: a_sat = 8 ..... 11 AU
Integration time:
20 mio years
i_sat = 10 .... 60 deg
Testplanets in the HZ:
a_tp = 0.6 ..... 1.6 AU
HZ: maximum ecc.
Sun – Jupiter – Saturn
Increase of iSaturn = 10 deg
Orbits of Venus, Earth and Mars
iSaturn = 20deg
Escape of Saturn for a_Sat = 8.2 AU
iSaturn = 30deg
iSaturn = 40 deg
iSaturn = 50 deg
iSaturn = 60 deg
Saturn will escape except for aSaturn = 9.6 AU
Summary




The inclination of Saturn influences the inner
Solar system
For small i -- the two planets in MMR
High i -- may lead to escapes of Saturn
For i > 60 all systems are unstable
Sun – Jupiter – Saturn
Increase of eEarth , if Saturn is at 8.7 AU
Changes due to Uranus ....
and Neptune ...
Sun – Jupiter – Saturn
Earth orbit changes
from nearly circular
to highly eccentric
Secular Periode: ~ 21 mio yrs
Decrease in eccentricity due to Venus !