WATER WORLDS Vortrag im Rahmen des Astrobiologie Seminars Susanne Pollack-Drs SS 2011 Earth-like planets -) bis jetzt Erde einzigartig -) vielversprechende Simulationen -) Sean Raymond (Universität von Colorado): 1 aus 3 bekannten Planetensystemen enthält erdähnliche Planeten mit möglichen Lebensformen -) Entwicklung von Riesenplanetensystemen außerhalb unseres Sonnensystems Schematic view (not to scale) scale) with our solar system on the upper level and a habitable planetary system with a "hot Jupiter" on the lower level. level. Our solar system has four terrestrial planets: planets: Mercury, Venus, Earth and Mars. Earth is in the habitable zone, zone, where water can exist on its surface. surface. The lower planetary system contains a hypothetical "hot Earth" a few times larger than the Earth but very close to the star, star, a theorized oceanocean-covered planet in the habitable zone, zone, and several icy planets in the outer system. Earth-like planets -) > 1/3 könnte Planeten enthalten, mit möglichen Lebensformen, bedeckt mit tiefen Ozeanen -) „hot Jupiters“: Studie beschäftigt sich mit großen Gasplaneten, Masse ähnlich Jupiter, die eine Umlaufbahn um einen Stern wie unsere Sonne haben (Umlaufbahn näher als Merkur – Sonne) -) Gasplaneten bewegen sich um eine rotierende Scheibe aus dichtem Gas in deren Inneren sich ein neuer Stern gebildet hat stört die Bildung des Planetensystems felsige Bestandteile nach draußen, eishältige Bestandteile nach innen zum Planeten Entstehung von Ozeanen -) 8-monatige Simulation; Ausgangspunkt: Storms cover the surface of a water world in große Gasscheibe + 100rte Planitesimale this artist's conception. In the distance, a "hot und Mond-Mars große Planetenstücke Earth" and "hot Jupiter" appear close to the setting Sun. New computer simulations suggest -) Planeten in der Größe von Jupiter such a scenario is plausible. hineingeschickt – bis zu einem Orbit, der ¼ Photo by Nahks Tr 'Ehnl des Orbits der Erde-Sonne ausmacht Earth-like planets -) Zeitdauer von 200 Millionen Jahren Ergebnisse: -) in 2 von 4 Simulationen formte sich ein erdähnlicher Planet innerhalb des Riesenplaneten-Orbits: „hot Earth“ und ein zweiter in der Entfernung von ungefähr 1 AU (Erde – Sonne) in der habitablen Zone -) große Wassermengen auf einem Planeten mit einer Tiefe von mehreren Metern (Form von Eis und Kometenpartikeln) GJ – 1214 b -) Entdeckung eines neuen Planeten in einer Entfernung von 40 Lichtjahren -) Charbonneau errichtete 8 idente Teleskope mit einem Durchmesser von 40 cm (Amateur-Teleskope) – MEarth genannt Aufgabe: Suche nach Planeten um rote Zwergsterne mithilfe der Transitmethode -) üblicherweise Planeten in Neptun- bzw. Jupitergröße Erdähnliche Planeten sind zu klein bzw. der zugehörige Stern zu groß – rote Zwerge richtige Größe -) Kepler- und Corot-Missionen GJ – 1214b -) Jeder Stern, dessen Helligkeit für eine Stunde gedimmt wird, und dessen Lichtreduktion sich regelmäßig wiederholt über Tage und Wochen, hat einen Planeten, der ihn umrundet -) Aus dem Betrag der Helligkeitsreduktion lässt sich auf die Größe des Planeten schließen. -) GJ 1214 – reduziert die Helligkeit um 1.3% für 52 Minuten alle 1.6 Tage -) Planet umrundet GJ 1214 mit einer Umlaufzeit von 1.6 Tagen und einem Radius, der 12% des Stern-Radius ausmacht GJ 1214b -) Planet hat einen Radius von 2,7 Erdradien (einzig bisher weiterer entdeckter Planet in Erdgröße Corot 7b mit 1,7 Erdradien) -) gravitativ mit Stern verbunden, Geschwindigkeit von 12 m/s -) 6,6 Erdmassen -) Dichte: 1,9 g/cm3 (Erddichte ist um 5,5 g/cm3 höher) -) chem. Zusammensetzung ist eine Mischung aus Wasser und Gestein mit einer kleinen Atmosphäre aus H und He GJ 1214b -) Kann dieser Planet eine stabile Oberfläche haben um Seen und Teiche mit organischem Material zu besitzen? -) Protoplanetaren Scheiben aus Gas und Staub bestehen aus H, He, C, N und O -) feste Staubpartikel aus Fe, Ni, Silikaten und Eis bilden Planitesimale – Kern aller Planeten -) Häufigkeiten der festen Bestandteile variieren aus 2 Gründen: * Die atomaren Häufigkeiten sind von Stern zu Stern alle gleich für das feste Material GJ 1214b * Hohe negative Gibbs-Energie von CMonoxid und Silikaten schließt soviel Sauerstoff wie möglich ein, um Wasser-Eis zu bilden -) Silikate und Wassereis dominieren das Massenbudget der festen Bestandteile in den kühlen Regionen von Protoplanetaren Scheiben gemeinsam mit den Fe und Ni Staubkörnern -) damit die Dichte des Planeten so gering bleibt, muss ein erheblicher Betrag an Wasser existieren (50% der Masse) GJ 1214 b -) variabler Faktor: H und He in der Atmosphäre -) zusätzliches H und He senkt die Dichte – kompensiert durch erhöhtes Fe im Kern aber alle Planeten mit Fe, Gestein, H und He haben auch große Mengen an Wasser -) vermutlicherweise gibt es einen tiefen Ozean, der flüssig sein könnte – Oberflächentemperatur 190° C -) möglicherweise eine dampfartige Atmosphäre Frage: Wenn dieser Planet wirklich aus 50% Wasser besteht, ist er verwandt mit unserer Erde? GJ 1214 b -) oder ähnlich Saturn und Neptun gebildet worden, mit einem Kern aus Gestein, der große Mengen an Eis und Gas gravitativ gebunden hat Im Vergleich: Erde hat nur 0,06% Wasser und wenig H und He Gas neuer Planet kein Verwandter der Erde große Erwartungen in zukünftige Missionen: Kepler Beobachtung von 100 000 Sternen – geringste Helligkeitsänderungen – mögliche Entdeckung von erdähnlichen Planeten Erforschung erdähnlicher Planeten -) Die Suche nach erdähnlichen Planeten ist eine neue wissenschaftliche und technische Herausforderung -) die meisten extrasolaren Planeten sind Riesenplaneten in der Nähe eines Sternes – kurze Umlaufzeiten – große Durchmesser und Masse – Transitmethode – Beeinflussung der Sternbewegung, damit die Dopplerverschiebung beobachtet werden kann 200 Planeten entdeckt *) Rivera et al (2005) entdeckte einen Planeten mit 7,5 facher Erdmasse *) Beaulieu et al (2006) entdeckte einen Planeten: OGLE-2005-390-Lb mittels Gravitationslinsen um einen M Stern – 5,5 fache Erdmasse Beide umkreisen ihren Stern außerhalb der habitablen Zone (der erste ist zu nahe (0,02 AU); der zweite ist bei 5 AU Paper: Mass-radius curve for extrasolar Earth-like planets and ocean planets (Sotin C, Grasset O., Mocquet A) 2007 -) Beziehung zwischen Radius und Masse für Erdähnliche Planeten bis zur 15-fachen Erdmasse -) Masse-Radius Beziehung bei großen Wassermengen (Ocean planets) -) Beschreibung der Modelle -) Zusammensetzung und Aufbau der Planeten -) Dichtemodelle Ocean planet – Earth-like planet Fig. 1. Interior model of Earth-like and ocean exoplanets. The description of the different layers is detailed in the text. The thicknesses of the layers are not to scale, but their relative sizes between the two planetary families are correct. For a given mass, an ocean exoplanet has a smaller metallic core and silicate mantles and a larger radius than an Earth-like planet. In the case of ocean planets, the upper silicate mantle, composed of olivine and pyroxenes, may not exist if the amount of H2O is such that the pressure at the ice/silicate interface is larger than that of the olivine to Mg-perovskite + magnesiowüstite transformation. Ocean planet – Earth-like planet Modell: Ein Exoplanet besteht aus 5 Schichten: Kern – untere und obere Mantel – Hochdruck-Eisschicht – Hydrosphäre Die Silikat-Kruste zählt zum oberen Mantel und ist von der Masse her vernachlässigbar gegenüber dem Mantel. Erdähnlicher Planet hat keine Hoch-Druck-Eisschichte, da der Wassergehalt sehr gering ist. Ocean-planet hat nicht immer eine obere Silikat-Schichte. Der Druck am Boden der Eisschichte kann so hoch sein, dass die Nieder-Druck Minerale im oberen Mantel nicht mehr existieren. Ocean planet – Earth-like planet -) Zur Beschreibung der Zusammensetzung der einzelnen Schichten greift man auf 5 unabhängige Parameter zurück: Mg/Si – Fe/Si – Mg# - Gesamtmasse – Wasseranteil -) Temperatur-Profil (Hitzetransport) Layer 1: Fe-reiche Kern Annahme: flüssig, aus 87% Fe Existenz eines „leichten“ Elements – zB Schwefel – kompatibel mit flüssigem Eisen Kein Schwefel im Mantel und in der Kruste verglichen mit Sonnenhäufigkeiten Schmelzpunkt des Fe-FeS Gemisches ist niedriger als Schmelzpunkt der Silikate. Temperatur des Mantels ist nahe der Schmelztemperatur – Hitzetransport durch Konvektion. Temperatur des Mantels höher als Fe-FeS Gemisch. (Erde) Ocean planet – Earth-like planet Während der Bildung des Kernes entstand während des Differenziationsprozesses Wärme durch Umwandlung der gravitativen Energie in Hitze. Je größer der Planet, umso größer die Temperatur des Kernes – wärmer als Erde Erde hat einen kleinen festen Kern aus purem Fe, mit einer Masse kleiner als 2%. Layer 2: untere Mantel aus Silikaten Mantel besteht aus 2 Schichten aufgrund der mineralogischen Zusammensetzung: .) Der untere Mantel besteht aus Perovskiten und Magnesiowüstiten. Ocean planet – Earth-like planet -) jede Phase für sich ist eine flüssige Form an Fe- und Mg-reichen Bestandteilen jeder untere Mantel eines Planeten besteht aus diesen 2 Phasen Anteile an diesen Phasen können genau berechnet werden Layer 3: obere Mantel aus Silikaten -) auf Erde: Olivin, Ortho- und Clinopyroxene, Granat -) auf Ocean planets: existiert diese Schichte nicht – über einem kritischen Druck von 23 GPa wandelt sich Olivin in Perovskit und Magnesiowüstit um – diese Umwandlung liegt in der Eisschicht Ocean planet – Earth-like planet Layer 4: Hochdruck Eisschichte -) Erwartung: große Wassermengen oberhalb von Silikaten -) ab einer gewissen Tiefe ist Wasser aber nicht mehr stabil und wird ersetzt durch „Hochdruckeis“ zB Eis VI unter 2 GPa Eis VII – stabilste – von 2,2 bis 36 GPa – Hauptbestandteil Eis X bis 150 GPa Layer 5: Hydrosphäre -) abhängig von der Oberflächentemperatur und Druck – Wasser entweder in flüssiger oder fester Form exobiologisch wichtig! – verglichen mit Planetengröße eine sehr dünne Schicht Ocean planet – Earth-like planet Bulk composition of the planets Silikat-Mantel und der Kern bestehen aus: Si, Mg, Fe, O, Ca, Al, Ni und S Si, Mg, Fe, O 95% der Masse Ca, Al, Ni, S 99,9% der Masse – erzeugen eine Vielschichtigkeit Ni verhält sich wie Fe S meist im Kern Al ist gleichmäßig aufgeteilt zw. Mg und Si Ca und Mg Um die Zusammensetzung eines Planeten zu fixieren benötigt es noch folgende Parameter: 1) Menge an H2O im Verhältnis zur Gesamtmasse des Planeten 2) Mg/Si 3) Fe/Si 4) Mg# = Mg(Mg+Fe) in den Silikaten Bulk composition of the planets Mit diesen 4 Parametern kann man die Größe der einzelnen Schichten und die mineralogische Zusammensetzung des Silikat-Mantels ableiten, wenn noch zusätzlich 3 Annahmen gemacht werden: *) Wasser: in Schicht 4 und 5 – Bestimmung der Schnittstelle zwischen Silikat und Eis *) Zusammensetzung des Kerns hängt ab von Fe – FeS *) Mantel wird als chemisch homogen angesehen – Grenze zwischen unteren und oberen Mantel wird nur mineralogisch gesehen Mg Mg# = = 1− y2 = 1− y3 Mg + Fe silicates y2 und y3 – Fe-Gehalt im oberen und unteren Mantel Bulk composition of the planets Der untere Mantel wird mit 2 Phasen modelliert: Olivin ([Mg, Fe]2SiO4) und Pyroxen ([Mg, Fe]2Si2O6). x3 Mg Mg = ⇔ x = 1 − 2 Si 2 2 S i 3 x2 und x3 sind das Verhältnis Perovskit und Olivin Mit einem Wert für x2 ist der Gehalt an Fe fixiert mithilfe beider Gleichungen. Fe/Si Verhältnis verbindet die Masse des Kerns mit x2. Unter der Annahme, dass die Zusammensetzung eines Planeten mit den molekularen Häufigkeiten zusammenhängt vom „Ursprungsstern“ aufgrund von Sonnenhäufigkeiten ist der Wert für Fe/Si und Mg/Si fixiert auf 0.977 und 1.072 Der Anteil an Wasser und Mg# ist variabel. Wasser: 0 (innere Planeten) bis 50% (eisigen Monden der Riesenplaneten) der Gesamtmasse. Bulk composition of the planets Mg# ist zum Großteil unbekannt. Ausgenommen Erde (~0.9) und Mars (~0.7) Der Wert hängt ab vom Differentiationsgrad eines Planeten. Je mehr er differentiert ist, desto höher ist der Wert für Mg#. vernachlässigt wurden: Ca, Al, Ni, S ändern den Radius aber nur geringfügig den größten Einfluss hat Wasser auf den Radius bei gegebener Masse Die anderen Parameter: Fe/Si, Mg/Si und Mg# beeinflussen die Größe des Kerns und den Fe-Anteil des Mantels Thermal profile within the planets -) Erde: Wärmetransport durch Konvektion Temperatur im Mantel ist um einige hundert Grad niedriger als die Schmelztemperatur -) In großen Planeten wird die Temperatur des Mantels gesteuert durch Wärme/Zerfall von radioaktiven Substanzen und Kühlung durch Konvektion Für die Temperatur in den Schichten: dT γT = dP ρφ Modelling the deep interior Das Verhältnis zwischen der Masse eines Planeten und seiner Größe kommt aus der Dichteverteilung: R6 Mp = 4π ∫ r 2ρ(r)dr 0 (R6 ist der Radius des Planeten) Problem besteht in der Abschätzung des Dichteprofils innerhalb des Planeten. Die Dichte hängt ab von Druck und Temperatur. Ausgangspunkt des Models ist eine Anfangsstruktur mit einer konstanten Dichte in jeder Schichte. Der Radius des Mantels wird aufgrund der mineralogischen Umwandlungen gemessen. Modelling the deep interior Interne Struktur als Funktion der Masse. Für jede Schicht wurde P, T, Dichte und Größe geplottet. Für einen Planeten der Größe von 10 Erdmassen ist der Hoch-Druck-EisMantel mehr als 6000 km dick. Calculations for Solar System bodies Die Modelle wurden getestet für feste Körper im Sonnensystem. Als Referenz für die Zusammensetzung wurde Sonnenzusammensetzung angenommen. Informationen über die Erde hinsichtlich Dichte und Temperatur stammen aus seismischen Daten. Der Wert füe den Radius ist nur um 43 km größer als 6371 km. Auch gute Abschätzungen für die Temperatur erhalten. Das selbe Model auch für Venus und Mars angewandt. Venus: Radius ist nur 5 km größer Mars: Radius, der 40 kleiner ist als der gemessene Mg# Gehalt ist kleiner als auf der Erde Mond und Merkur: passen die Modelle nicht so gut. Merkur hat eine hohe Dichte. Der Radius für Merkur war um 12% größer, für den Mond 8% kleiner. Calculations for Solar System bodies Modelle auch für die eisigen Monde verwendet. Mit Ausnahme von Europa, der weniger Wasser hat als alle anderen, wurde H2O mit 50% berechnet für Ganymed, Callisto und Titan. Modell auch angewandt für Uranus und Neptun – eine große H-reiche Schichte Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Algorithmen zur Bestimmung des Radius von erdähnlichen Planeten und großen eisigen „Satelliten“ sehr gut ist. – anwenden auf Exoplaneten Ocean planets haben einen größeren Radius als terrestrische Planeten. vgl. Erdmasse Radius 8000 km Radius ist um 26% größer als ein terrestr. Exoplanet mit derselben Masse Die Oberflächenschwerkraft ist geringer; P, T und Dichte des Kerns sind geringer Calculations for Solar System bodies Die Dicke der Wasser-Schichte variiert von 3000 bis 6000 km. Wie tief ist der Ozean? – Temperaturabhängig The interior dynamics of water planets (Fu et al, 2010) Entdeckung von Planetensystemen um andere Sterne „Super Erden“ – 2 bis 10 Erdmassen, erdähnlich Hauptparameter ist die Masse – schon einige solcher Planeten entdeckt - aber kein Aufschluss über die Zusammensetzung, Aufbau (Wasser,…) Hoffnung in die Missionen mit Corot und Kepler Definition: Ein „water planet“ ist ein Planet mit 2 bis 10 Erdmassen, mit > 10% Wasser um einen Silikat-Metall Kern und ohne signifikante Gasschicht. Hydrostatische Modelle – Phasenübergänge zwischen Eis 9 Ocean planets modelliert mit einem Wasseranteil von 0,02% bis 50% The interior dynamics of water planets -) Ersetzen von 25% des Mg durch Fe Dichteerhöhung um 2,5% -) 2 thermische Modelle: * oberflächennah * Konvektion – oberer Mantel -) Eis X Schichte liegt am „Boden“ der H2O Schichte der 25% und 50% H2O Planeten -) Wenn ein Wassergehalt ähnlich der Erde vorliegt dann gibt es entweder Eis Ih oder flüssiges Wasser – abh. von der Oberflächentemperatur 4 dynam. Zonen -) Wenn es eine gefrorene Oberfläche gibt Einfluss der Kruste auf die beobachtbaren Strukturen -) Verhalten der Kruste – abh. von Oberflächentemperatur und Wärmefluss -) Zonen sind durch die Oberflächentemperatur bestimmt -) Flüssiges Wasser gibt es in den Zonen I und II -) In Zone I liegt die Eis Ih Schichte auf einem Ozean aus fl. Wasser – Dicke zu gering für Konvektion -) Zone II: Die Temp.kurve schneidet die Schmelzkurve – fl. Ozean – konvektiv instabil -) Zone 3: Umkehrpunkt in der Temp.kurve – Wärmeleitung/Konvektion kein fl. Wasser kleine Konvektionszelle unter der Kruste – reicht bis zu Silikat-Eis Grenze -) Zone 4: dicke Kruste - Konvektion -) Planeten mit Kruste im Bereich 3 und 4 – Anzeichen einer Atmosphäre - mit allen Elementen, die aus dem SilikatMetall Kern stammen -) Die Atmosphäre von Planeten aus Zone I und II kann angereichert werden durch Entgasungsphänomene (zB. Cryovulkanismus) -) Die Spannweite der Elemente, die die Oberfläche erreichen, ist durch die Anwesenheit des fl. Ozeans beeinflusst, da dieser das „Material“ auswählt (gelöste und nicht gelöste Substanzen) The first metazoa living in permanently anoxic conditions -) Mehr als 90% der Bisophäre der Meere ist tief (3850 m) und unerforscht. -) Der Ozean beherbergt aber Leben in allen Tiefen und unter extremen Umweltbedingungen (Temperatur, Salzgehalt, Sauerstoff, Druck,…) – viele unentdeckte Lebensformen -) Tiefsee Ökosystem enthält auch die größte Biosphäre unter Bedingungen von geringem bis gar keinem Sauerstoff -) Die Bereiche mit geringem Sauerstoffanteil sind weit verbreitet in Tiefen von 200 m bis 1500 m. (umfassen ca. 1 150 000 km2) -) hoher Schwefelgehalt in den Bodensedimenten The first metazoa living in permanently anoxic conditions Diese Umweltbedingungen sind für marine Lebensformen ungeeignet, einzigen Ausnahmen sind Prokaryoten, Protozoen (Einzeller) und einige Metazoen (Vielzeller). Im Meeresboden unter der Oberfläche existieren ständige anoxische Bedingungen. Bisher angenommen, dass diese Bereiche nur bewohnt werden von Viren, Bakterien und Archaebakterien. Einzellige Eukaryoten wurden auch unter anoxischen Bedingungen gefunden. The first metazoa living in permanently anoxic conditions -) Foraminiferen wurden kürzlich entdeckt im Meeresboden, die gut angepasst an ein Leben ohne Sauerstoff waren. Einzeller, die marine Lebensräume von der Küste bis in die Tiefsee bewohnen (nur 50 Arten leben im Süßwasser), Gehäuse -) Einige Metazoen können für eine gewisse Zeit anoxische Bedingungen tolerieren. -) keine bekannt, die ihr ganzes Leben so verbringen The first metazoa living in permanently anoxic conditions -) Metazoa – vielzellige Organismen mit einer Größe von wenigen µm bis zu 1 mm -) 60% aller Metazoen auf der Erde -) leben ihr ganzes Leben im Sediment – kein Larvenstadium im Wasser DHAB: deep hypersaline anoxic basins Extreme Lebensräume in einer Tiefe >3000 m, entstanden im Miozän durch Überflutung – ohne Sauerstoff, reich an Schwefelwasserstoff, viele angepasste Prokaryoten The first metazoa living in permanently anoxic conditions -) neu gefunden: Nematoden, Arthropoden (Gliederfüßer – Copepoden (Krebse)), Loricifera (Korsetttierchen) The first metazoa living in permanently anoxic conditions -) nicht nur im Mittelmeer und Atlantik sondern auch aus dem schwarzen Meer (als Überreste aus sauerstoffreichen Schichten interpretiert) -) mit Färbemittel versehen: von den Kopffüßern leere Körperhüllen, Nematoden wiesen eine geringe Färbung auf (vmtl. tod), Loriciferae intensiv gefärbt Unterschiede in der Färbung zwischen toten und lebenden Tieren Problem: die anoxischen Bedingungen konservieren sehr gut – schwieriger Nachweis, ob tatsächlich lebend Aber: sehr große Häufigkeit dieser Loricifera – bisher nur 2 im Mittelmeer gefunden in den letzten 40 Jahren Hinweis auf Reproduktion - Oocyte The first metazoa living in permanently anoxic conditions -) leere Hüllen von Loriciferae gefunden – Hinweis auf Wachstum -) extrem gut angepasst Weitere Experimente zur Lebensfähigkeit: in einer N2 Atmosphäre, im Dunkeln, 14°C, 101.325 Pa – Injektion eines radioaktiven Stoffes Überprüfung von Reproduktion und Stoffwechsel All diese Organismen hatten spezielle Mechanismen entwickelt für: -) Aushalten eines enormen osmotischen Druckes -) Leben ohne Sauerstoff -) Entgiftung hoch giftiger Substanzen -) chemische Anpassungsfähigkeit (Panzer) -) anderer Zellaufbau (Mitochondrien ersetzt durch Organellen) Anpassung ihres Aufbaus und ihres Metabolismus an anoxische Bedingungen Quellen The first metazoa living in permanently anoxic conditions – Danovaro. R. DellÁnoo A. et al. (2010) BMC Biology The interior dynamics of water planets – Fu R., O´Connell and Sasselov D. (2010) – Astronomical Journal, 708: 1326 -1334 Water world larger than Earth – Marcy G. (2009) – Nature Vol. 462 Mass-radius curve for extrasolar Earth-like planets and ocean planets – Sotin C. et al (2007) – Icarus 191: 337-351