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Astronomie für Nicht­Physiker SS 2011 14.4. Astronomie heute: Einführung, Überblick (Just, Fendt) 21.4. Teleskope, Instrumente, Bilder, Daten (Fendt) 28.4. Geschichte der Astronomie (Just) 5.5. Sonne, Mond und Erde (Just) 12.5. Sonne und Planetensystem (Just) 19.5. Sterne: Zustandsgrößen (Fendt) 26.5. Die Milchstraße (Just) 9.6. Sterne: Entwicklung & Entstehung (Fendt) 16.6. Galaxien (Just) 30.6. Quasare und Schwarze Löcher (Just) 7.7. Urknall und Expansion des Universums (Just) 14.7. Elementsynthese, Astrochemie und Leben (Fendt) 21.7. Weltmodelle (Just) Elementsynthese, Astrochemie, Leben Sternhaufen NGC 290 mit HST beobachtet, Olzewski et al. -> Position, Helligkeit, Farbe Elementsynthese, Astrochemie, Leben Elementhäufigkeiten: Sterne: Fusion, Wasserstoffbrennen, Heliumbrennen, ... -> chemischen Zusammensetzung: chemische Häufigkeit -> Änderung zeitlich und räumlich ?!?!? “solare Häufigkeit”: Häufigkeiten verschiedener Elemente im Sonnensystem 1) spektroskopische Bestimmung in der Sonnenphotosphäre (=Oberfläche) 2) Meteoriten: überstehen Flug durch die Atmosphäre, Boten der Frühzeit des Sonnensystems, aus interstellarem Gas entstanden (Urmaterie der Sternentstehung) -> Übereinstimmung für die meisten Elemente -> mehr als 98% Massenanteile sind Wasserstoff (H) und Helium (He) Rest andere “Metalle” -> schwere Kerne selten, Häufigkeitsmaximum 56Fe Messung Häufigkeiten in anderen Sternen/Galaxien in Einheiten der solaren Häufigkeit -> meist ähnlich, aber auch substantielle Abweichungen Elementsynthese, Astrochemie, Leben Elementhäufigkeiten: “solare Häufigkeit”: -> mehr als 98% bestehen aus Wasserstoff (H) und Helium (He), Rest andere “Metalle” -> schwere Kerne selten, Häufigkeitsmaximum 56Fe Elementsynthese, Astrochemie, Leben Elementhäufigkeiten: “solare Häufigkeit”: -> mehr als 98% bestehen aus Wasserstoff (H) und Helium (He) -> schwere Kerne selten, Häufigkeitsmaximum 56Fe Elementsynthese, Astrochemie, Leben Nukleosynthese der Elemente Elementsynthese, Astrochemie, Leben Primordiale Nukleosynthese: Urknall: Entstehung der Welt: höchste Drucke und Temperaturen Prinzip der Materie-Erzeugung: Einstein: E = m c2 (E= Energie, m= Masse, c= Lichtgeschwindigkeit) -> Energie ist äquivalent zur Masse -> Umwandlung von Masse in Energie (Kernspaltung) -> Umwandlung von Energie in Masse Beispiel: Paarerzeugung: Im hochenergetischen Strahlungsfeld (E=h) entstehen Elektron-Positron Paare (me) Bedingung: hme c2 -> Gamma -Strahlung: 2.47 x 1020 Hz = 247 Mrd GHz (oder: 1.022 MeV = 2x Elektronmasse 511 keV) Abbildungen von: http://aether.lbl.gov/www/tour/elements/early/early_a.html Elementsynthese, Astrochemie, Leben Primordiale Nukleosynthese: Urknall: Entstehung der Welt: höchste Drucke und Temperaturen Nukleosynthese: Beginn des Universums: Zeit =0.0, Temperatur 1032 K dominiert durch Strahlung (Photonen, Neutrinos) wenig Materie (Protonen, Neutronen = 1 Teil auf 1 Mrd) Reaktionen: Elektronen - Positronen- Erzeugung aus Strahlungsenergie, im GG mit Annihilation -> bis 10-6 Sek (1 Mio.stel Sek): “Heiße Quark Suppe” (hot quark soup): -> Protonen & Neutronen (Atomkernbestandteile) können bei Temperaturen unter 1013 K existieren (nach 10-6 s) Kernreaktionen: n -> p + e- + anti-neutrino (Halbwertszeit ~10.5 min) p + e- -> n + neutrino (Neutronen ebenso häufig wie Protonen bis T < 6x109K, Paarerzeugung seltener nach 1-2 s) p + n -> 2H + photon (Deuterium schnell zerstört durch Photonen, bis 3 min nach Urknall, danach überlebt 2H) -> Nur die 4 leichtesten Elemente bilden sich im frühen Universum Elementsynthese, Astrochemie, Leben Primordiale Nukleosynthese: Urknall: Entstehung der Welt: höchste Drucke und Temperaturen 1) Beginn des Universums: -> dominiert durch Strahlung (Photonen, Neutrinos) -> sehr wenig Materie (Protonen, Neutronen = 1 Teil auf 1 Mrd) Reaktionen: - Elektronen - Positronen- Erzeugung aus Strahlungsenergie, im GG mit Annihilation - Protonen-Neutronen-Konversion Figuren von: http://aether.lbl.gov/www/tour/elements/early/early_a.html Elementsynthese, Astrochemie, Leben Primordiale Nukleosynthese: Urknall: Entstehung der Welt: höchste Drucke und Temperaturen 2) Ausdehnung des Universiums, Abkühlung: Zeit = 13.82 Sek, Temp = 3 Mrd Grad Strahlungsenergie abgeschwächt, Paarerzeugung schwieriger Temperatur zu hoch -> für höhere Elemente Kollisionsenergie zu groß, um “zusammenkleben” zu ermöglichen Figuren von: http://aether.lbl.gov/www/tour/elements/early/early_a.html Elementsynthese, Astrochemie, Leben Primordiale Nukleosynthese: Urknall: Entstehung der Welt: höchste Drucke und Temperaturen 3) nach 3 Minuten: Temperatur so niedrig, dass stoßende Protonen und Neutronen “kleben” bleiben: Nukleosynthese: -> Deuterium entsteht, Helium entsteht -> aus anfänglich 13% Neutronen, 87 % Protonen entstehen 75% Wasserstoff, 25 Helium (Gewichts-%) -> 2 Reaktionskanäle für Helium: Figuren von: http://aether.lbl.gov/www/tour/elements/early/early_a.html Elementsynthese, Astrochemie, Leben Primordiale Nukleosynthese: Urknall: Entstehung der Welt: höchste Drucke und Temperaturen 4) weitere Stunden: NB: H3 zerfällt in He3 mit 12 Jahren Halbwertszeit, Be7 zerfällt in Li7 mit 53 Tagen Halbwertszeit -> überleben nicht bis heute Rechnung rechts mit höherer Baryonen-Dichte im Universum /Burles et al .1999). Figuren von: http://aether.lbl.gov/www/tour/elements/early/early_a.html Elementsynthese, Astrochemie, Leben Primordiale Nukleosynthese: 5) Vergleich mit Beobachtung: Rechnung mit höherer Baryonen-Dichte im Universum /Burles et al .1999). Grenzwert des D/H - Verhältnis ist 1.78*10-5 für Bh2 = 0.029 Beste Beobachtungswerte sind Bh2 = 0.0214 +/- 0.002 (Quasar-Absorptionslinien), und Bh2 = 0.0224 +/- 0.001 (Amplitude Mikrowellenhintergrund) Elementsynthese, Astrochemie, Leben Primordiale Nukleosynthese: 5) Vergleich mit Beobachtung: Vergleich der Elementhäufigkeiten für verschiedene Dichteparameter bh2 WMAP-Satellit (*2001) vemisst Verteilung der Hintergrundstrahlung des Urknalls (3K): -> Modellrechnungen 1 (aus WMAP): Dichte der baryonischen Materie (gewöhnliche, “sichtbare” Materie) -> Modellrechnungen 2 (aus Urknall)): Anteil der leichten Elemente, z.B. Helium ~24% -> stimmt mit Beobachtung der Elementhäufigkeiten überein Elementsynthese, Astrochemie, Leben Stellare Nukleosynthese 1: Kernfusion (”Brennen”) von niederzahligen zu höherzahligen Elementen: -> Energiegewinn aus Kern-Bindungsenergie -> verschiedene Fusionsprozesseund Zeitskalen Wasserstoff-Brennen: -> pp-Kette: pp1, pp2, pp3 (pp=Proton-Proton) Alternativprozeß: -> CNO - Zyklus, Bethe-Weizäcker-Zyklus Wasserstoff -> Helium, mit Katalysatoren (C, N, O) Helium-Brennen: 1) 3-Prozeß: He -> C, Temp > 108K (wenig C) 2) Bei genügend C u. höherern Temp: höhere Elemente durch ()-Reaktionen: bis 24Mg, 28Si, 14N, 18F, 18O,22Ne) Kohlenstoff-Brennen: 5x 108K < T < 109K Sauerstoff-Brennen: T > 109K Disintegration und weiteres Aufbauen: T > 109K: Erzeugtes reagiert mit weiteren Neon-Kernen ... Silizium-Brennen bis Eisen !!! Elementsynthese, Astrochemie, Leben Mittlere Bindungsenergie der Nukleonen (in MeV) Elemente schwerer als Eisen: Erzeugung kostet Energie !!! ? -> Bindungsenergie/Nukleon verkleinert sich nach Eisen -> Energiegewinn durch Fusion wird durch Neutrinoverluste aufgehoben (-> Hauptenergiegewinn durch H -> He ) -> höhere Elemente durch r, s, rp-Prozesse Anzahl Nukleonen im Kern Elementsynthese, Astrochemie, Leben Stellare Nukleosynthese 2: Erzeugung höherer Elemente als Eisen durch Neutroneneinfang: - Neutronen einfang schneller als-Zerfall - nach Einfang Zerfall zu stabilen Kernen s - Prozeß: im Roten Riesen Stadium, wenig Neutronenfluß(<1011 n/cm2/s): langsamer (slow) Neutroneneinfang r - Prozeß: im Supernova-Stadium, sehr hoher Neutronenfluß(>1022 n/cm2/s): schneller (rapid) Neutroneneinfang, Dauer 15 min, erzeugt 50% aller Elemente schwerer als Fe p - Prozeß: im Supernova-Stadium: Protonen-Einfang, Problem Coulomb-Abstoßung (erfordert höchste Temperaturen) Im Prinzip Aufbau der meisten Elemente im Periodensystem möglich Problem: Falls zu viele Neutronen eingefangen werden, wird Kern unstabil und zerfällt Elementsynthese, Astrochemie, Leben r-Prozeß, s-Prozeß: Atomkern = Gitterpunkt -> Anzahl Neutronen (horizontal) -> Anzahl Protonen (vertikal) -> Isotope liegen horizontal Schritt nach rechts: Neutronen-Einfang Schritt diagonal oben/links: -Zerfall: n -> p + e- + www.scienceinschool.org/ Elementsynthese, Astrochemie, Leben r-Prozeß um Neodym (Nd) : Elementsynthese, Astrochemie, Leben s-Prozeß um Neodym (Nd) : Entstehung von Nd: 142Nd kann nur durch s-Prozeß entstehen, 148Nd und 150Nd nur durch r-Prozeß, 143Nd - 146Nd können durch beide Prozeses entstehen Elementsynthese, Astrochemie, Leben Astro-Chemie, Atome, Moleküle, Staub Elementsynthese, Astrochemie, Leben Astrochemie: 99 % der (sichtbaren) Materie ist im Plasma-Zustand: heiß: 2000 K bis mehrere Mio, sogar Mrd. K -> Atome ionisiert keine Moleküle keine chemischen Verbindungen kühle Materie: -> HI-Region: neutraler Wasserstoff H, Atome, T < 1000 K -> vgl: HII-Region mit T>10000, ionisiertes H, andere Ionen -> Molekülwolken, molekulares Gas: Wasserstoffmoleküle H2, CO, andere freie Atome und Ionen (H, C, O, C+, Fe+, ...) komplexe Moleküle, Staub aus schweren Elementen Elementsynthese, Astrochemie, Leben Moleküle, Atome im interstellaren Medium (ISM): ISM besteht aus mehreren “Phasen” (im Druckgleichgewicht): -> zum Teil durchmischt, -> geheizt durch heiße Sterne und Supernova-Explosionen, -> Phasenübergänge durch Heiz und Kühlprozesse ISM-Komponente n [cm-3] T [K] Masse [109 MO] heißes ionisiertes Gas 0.003 1000000 0.1 warmes neutrales Gas 0.5 8000 1.4 warmes ionisiertes Gas 0.3 8000 1 Diffuse HI- Wolken 50 80 2.5 Molekülwolken > 300 10 2.5 HII- Wolken 1 - 105 10000 0.05 Elementsynthese, Astrochemie, Leben HII Region NGC 604 in der Spiral galaxie M33, Distanz 2.7 Mio Lj Elementsynthese, Astrochemie, Leben Moleküle: am häufigsten H2, dann CO und H2O -> CO-Beobachtungen wichtige Informationsquelle für Molekülwolken Entdeckung: -> i.d. 30er Jahren: CH, CH+, CN in diffusen Wolken, Absorptionsspektren gegenüber Hintergrundsternen -> i.d. 60er Jahren: OH, NH3, H2O im Radiobereich Energieproblem bei der Molekülentstehung: 2 sich annähernde Moleküle stoßen sich auch wieder ab -> Kollision mit 3. Atom muss Energie übernehmen (unwahrscheinlich wegen geringer Dichten) Lösung: Ionen-Atom-Moleküle oder Staub als Katalysator Elementsynthese, Astrochemie, Leben Dunkelwolke L183 (mit Ausströmung L1448-mm): Komplexe organische Moleküle CH3OH, C2H5OH, HCOOH, HCOOCH3, H2CO und SiO: Keine Detektion von C2H5OH, HCOOCH3. Erhöhte Konzentrationen von CH3OH, H2CO und SiO um Faktor 4-20 in Stoßwellen (Requena-Torres). Elementsynthese, Astrochemie, Leben Molekülwolken um das galaktische Zentrum: Riesenmolekülwolke Sagittarius B2 (mit “Large Molecule Heimat”): 400 Lj vom Zentrum, 200K heißer Kern, mit Alkoholen und Formaldehyd: Ameisensäure, Essigsäure, Glykolaldehyd (~Zucker), Ethylenglukol Entdeckung von Aminosäuren-verwandtem Molekül: Aminoacetonitril Rechts: 90cm-Radiostrahlung (330 MHz) Links: 850 GHz Staub-Emission der dichten, heißen Kerne des Sternentstehungsgebiets (2000 mal kürzer als Radio), 10-m-Teleskop des Caltech Submillimeter Observatory auf Mauna Kea, Hawaii Elementsynthese, Astrochemie, Leben Molekülwolken um galaktisches Zentrum: Elementsynthese, Astrochemie, Leben Biomoleküle: Robert C. Byrd Green Bank Telescope (GBT) Elementsynthese, Astrochemie, Leben Moleküle: Green Bank Telescope (GBT) Beobachtung von 8-Atom- & 10-Atom-Molekülen Propenal & Propanal in Sagittarius B2 Entstehung von > 5-AtomMolekülen noch unverstanden: Propynal (HC2CHO) , -> Propenal (CH2CHCHO) -> Propanal (CH3CH2CHO) durch Addition von 2 H-Atomen Elementsynthese, Astrochemie, Leben u.v.a. mehr, siehe www.cdms.de Elementsynthese, Astrochemie, Leben Staub: Staubproduzenten sind 1) alte Sterne in ihren letzten Entwicklungsgstadien: Atmosphären Roter Riesen, Planetarische Nebel, Novae, Supernovae 2) aber auch direkte Entstehung im ISM Zusammensetzung der Staubkörner: Kohlenstoff C, Siliziumcarbid SiC, Enstatite (Fe, Mg)SiO3 , Olivine (Fe, Mg)2SiO4, Eisen Fe, Magnetit Fe3O4 Größenverteilung: zwischen a= 0.005 und 1m, n(a) ~ a-3.5 (Mathis et al 1977) Staub-zu-Gas-Verhältnis: typischer Werte 1:100 - 1:200 Struktur/Entwicklung nicht wirklich bekannt -> Modellsimulationen: Elementsynthese, Astrochemie, Leben Staub: Struktur/Entwicklung nicht wirklich bekannt -> Modellsimulationen: -> Staubkörner meist nicht sphärisch -> fraktale Struktur “fraktale Adhäsion” -> Konglomerate sphärischer Bausteine (in Farbe) Elementsynthese, Astrochemie, Leben Staub: Extinktion durch interstellaren Staub -> Lichtabschwächung und Rötung Barnard 68 (ESO) Elementsynthese, Astrochemie, Leben Staub: - Staubkörner als chemische Katalysatoren: Bildung von Molekülen an der Stauboberfläche, z.B. Wasser - Staubkörner als Polarisatoren Polarisation des Lichts (in Absorption oder Emission) durch elongierte Staubpartikel, die im Magnetfeld ausgerichtet werden -> ”interstellare Polarisation” des Sternlichts -> Magnetfeldstruktur der Milchstraße (Davis & Greenstein) Staubkorn aus Erdbahn, Entstehung in der ISM (?) Elementsynthese, Astrochemie, Leben Exoplaneten, Leben im All Elementsynthese, Astrochemie, Leben Fragen nach (intelligentem) Leben im Universum: -> Gibt es andere (intelligente) Lebewesen? -> Wo könnten sie leben? -> Wie könnten diese Lebewesen aussehen? -> Könnten wir mit ihnen kommunizieren? Astronomische Problemstellung: -> Suche nach erdähnlichen Lebensbedingungen: Planeten um sonnen-ähnliche Sterne? -> Statistische Abschätzung (Drake-Gleichung) ? Biologisch-chemische Problemstellung: Definition von Leben?, Entstehung von Leben?, Lebensprozesse?, alternative Lebensformen (anders als auf Erde)? Elementsynthese, Astrochemie, Leben Leben im Sonnensystem: nur auf der Erde nachgewiesen: Mars: -> Permafrost an den Polen (mikrobisches Leben in irdischem Permafrost) -> hatte früher Wasser (?), war wärmer, hatte substantielle Atmosphäre -> Wasser + Wärme + Atmosphäre = Leben ??? Jupitermond Europa: -> Gesamte Oberfläche aus Wassereis -> evtl. flüssige Ozeane (darunter) Saturnmond Titan: -> dichte Atmosphäre, aber sehr kalt -> Stickstoff dominiert, komplexe Chemie Elementsynthese, Astrochemie, Leben Leben auf Exoplaneten: Suchkriterien: -> Habitable (bewohnbare) Zone (HZ) um einen Stern: Lebensbedingungen ähnlich denen der Erde: -> terrestrischer Planet (feste Oberfläche) -> flüssiges Wasser: Einschränkung an Temperatur und damit Position des Planeten: zu nah: Wasser verdampft, zu weit: Wasser gefriert -> bei Sonne: HZ reicht von Venus bis Mars -> bei anderen Sternen: M < MO: HZ liegt weiter innen M > MO: HZ liegt weiter außen -> Sternentwicklung: -> Stern wird heißer, größer -> HZ wandert nach außen -> Zeitskala für Stern-Lebensdauer Elementsynthese, Astrochemie, Leben Habitable Zone (HZ, Lebenszone): Vergleich Sonne mit Gliese581 Elementsynthese, Astrochemie, Leben Habitable Zone: Vergleich Sonne mit anderen Sternen (Masse) Elementsynthese, Astrochemie, Leben Suche nach extrasolaren Planeten (siehe http://exoplanet.eu/ (Jean Schneider, Paris) Suche extrem schwierig: Planeten strahlen selbst wenig -> reflektieren nur -> werden von Muttersonne überstrahlt (Faktor 1 Mio - 1 Mrd je nach Welelnlänge) Planeten sind klein und massearm (kaum dynamische Effekte auf Muttersonne) Seit 1995 Sucherfolge mit verschiedenen Methoden Stand Juli 2011: 473 Planetensysteme / 564 Planeten / 57 Systeme mit mehreren Planeten Elementsynthese, Astrochemie, Leben Dopplermethode: Messung der stellaren Radialgeschwindigkeit durch Linienverschiebung im Spektrum: Planetenmasse “wackelt” periodisch am Stern -> 1. Entdeckung: 51 Pegasi (Mayor & Queloz 1995) -> Methode reagiert am besten auf schwere Planeten, nahe am Stern Elementsynthese, Astrochemie, Leben Dopplermethode: Pulsar PSR 1257+12: m-sec Pulsar, ~1000 Lj Entfernung 1991: Messungen der PulssignalPerioden weisen auf 2 Planeten mit Masse > zwei Erdmassen hin 1994, 1996, 2005: Hinweise auf weitere Planeten/Körper, z.T widerrufen, wiederbestätigt System: Planet A: 0.19 AE, 0.025 ME, 266 K (Pulsar scheint wie Vollmond, Leuchtkraft wie Sonne, aber andere Wellenlänge, hoch-energetische Teilchen) Planet B: 0.36 AE, 4.5 ME, 190 K Planet C: 0.47 AE, 3 ME, 170K Planet D: 2.7 AE, 0.0004 K, 110K Elementsynthese, Astrochemie, Leben Transitmethode: Planet zieht vor Scheibe des Muttersterns vorbei -> entspricht “Sonnen”finsternis -> periodischer Helligkeitsabfall -> Umlaufszeit -> Planetenbahn muss parallel zur Sichtlinie liegen -> Statistik -> Satellitenmissionen: COROT (2006, ESA), Kepler (2009, NASA) : Entdeckung der ersten erd-ähnlichen Planeten: - CoRoT-7b (2009) - Kepler-10b (2011): 1.4 x Erdgröße 4.6x Erdmasse 1.6x Erddichte www.centauri-dreams.org/wp-content/ uploads/2007/02/osnanimkurzloop_test.gif Elementsynthese, Astrochemie, Leben Transitmethode: -> Satellitenmissionen: Kepler (2009, NASA) Plan / Erwartung: Entdeckung von Exoplaneten verschiedener Klassen aus bisher beobachteten 156453 Sternen 1202 Kandidaten herausgefiltert: - 68 erdgroße Exoplaneten, Planetenradius (Rp) < 1.25 Erdradien (Re) - 288 über-erdgroße Exoplaneten, 1.25 x Re < Rp ≤ 2.0 x Re - 662 Neptun-große Exoplaneten, 2.0 x Re < Rp ≤ 6.0 x Re - 165 Jupiter-große Exoplaneten, 6.0 x Re < Rp ≤ 15 x Re - 19 übergroße Exoplaneten, 15.0 x Re < Rp ≤ 22 x Re Elementsynthese, Astrochemie, Leben -> Untersuchung von 180000 Sternen: Bild oben : 5 Sterne mit Planeten Bild unten: Stern mit Planet mit 4 Jupitermassen, Bahn ~ 0.06 Erdbahnen media4.obspm.fr/exoplanets/pages_nombre/sweeps.html Sweeps-Projekt: Suche nach Exoplaneten mit dem HST: Stern mit Planet mit 4 Jupitermassen, Bahn ~ 0.06 Erdbahnen Elementsynthese, Astrochemie, Leben Direktbild-Abbildung eines Exoplaneten Problem: Helligkeitskontrast 1 Mio - 1 Mrd je nach Welelnlänge Erstes Direktbild: Stern 2M1207b (Brauner Zwerg), Entfernung 230 Lichtjahre ( www.eso.org/public/images/26a_big-vlt/ ) Planet: Gasplanet mit 5-facher Masse des Jupiter, Umlaufbahn 55 Erdbahnradien (=2 Neptun-Bahnradien) Bild des ESO 8.2-Meter-Telekops, Chile Elementsynthese, Astrochemie, Leben Gravitationslinsen-Effet eines Exoplaneten (“micro lensing”) Lichtverstärkung im Gravitationsfeld (Paczynsly 1991, für Planetensuche) Exoplanet zieht mit Mutterstern vor Hintergrundlichtquelle (Stern) vorbei -> Modell-Rechnungen für Linsenparameter -> Massen, Entfernungen OGLE 2005-BLG-390Lb : kühl, 5.5 Erd-Masse, Distanz 8.5 kpc, Separation 2.6 AU, Sternmasse 0.2 MO (Beaulieu et al 2006) Problem: einmaliges Ereignis, nicht wieder beobachtbar Elementsynthese, Astrochemie, Leben Gravitationslinsen-Effet eines Exoplaneten (“micro lensing”) Lichtverstärkung im Gravitationsfeld (Paczynsly 1991, für Planetensuche) Exoplanet zieht mit Mutterstern vor Hintergrundlichtquelle (Stern) vorbei -> Modell-Rechnungen für Linsenparameter -> Massen, Entfernungen OGLE 2005-BLG-390Lb : kühl, 5.5 Erd-Masse, Distanz 8.5 kpc, Separation 2.6 AU, Sternmasse 0.2 MO (Beaulieu et al 2006) Problem: einmaliges Ereignis, nicht wieder beobachtbar Elementsynthese, Astrochemie, Leben Exoplaneten Anzahl der entdeckten Planeten stark steigend Sehr aktives Forschungsgebiet: -> neue Teleskope/Instrumente/ Satelliten .... Ziel: eine 2. Erde zu finden ... Elementsynthese, Astrochemie, Leben Exoplaneten auch Planetensysteme um fremde Sonnen gefunden Suchmethoden “bevorzugen” schwere Planeten und Planeten nahe des Sterns (d.h. sehr unterschiedlich zur Erde) Elementsynthese, Astrochemie, Leben Wahrscheinlichkeit von Leben in der Milchstraße: Drake-Gleichung Abschätzung der Anzahl von belebten Planeten / Zivilisationen durch Abschätzung der Einzelwahrscheinlichkeiten Drake 1961: Anzahl N der Zivilisationen, mit denen Kommunikation möglich sein könnte N = RSFR * fp * nh * fL * fi * fc * L = 10 RSFR fp nh fL fi fc L = Rate der Sternentstehung = 10 / Jahr = Anteil Sterne mit Planetensystem = 50% = Anzahl Planeten in habitabler Zone = 2 = Anteil Planeten, wo tatsächlicjh Leben entsteht = 100% = Anteil Planeten mit inteligentem Leben = 1% = Anteil der Zivilisationen die kommunizieren können = 1% = Lebensdauer dieser Zivilisationen = 10000 Jahre Annahmen von Drake, Werte z.T. sehr unsicher !!!!! Kein Exoplanet bekannt zu dieser Zeit !!! Astronomische Perspektiven: Leben im Universum Wahrscheinlichkeit von Leben in der Milchstraße: “Rare-Earth”Gleichung Ward & Brownlee: Anzahl N der erdähnlichen Planeten mit komplexem Leben N = NSMW * fp * nh * fh * fg * fi * fC * fL * fM * fJ * fkat NSMW = Anzahl Sterne i.d. Milchstraße = 1 - 5x 1011 fp = Anteil Sterne mit Planetensystem nh = Anzahl Planeten in habitabler Zone (10%?)) fh = Anteil Sterne in galax'ktischer habitabler Zone fg = Anteil Gesteinsplanenten (terrestrische Planeten) fi = Anteil Planeten mit mikrobiologischem Leben (“hoch”) fc = Anteil Planeten mit komplexem Leben (“sehr klein”) fL = Bestandsdauer des komplexen Lebens fM = Anteil Planeten mit großem Mond fJ = Anteil Planentensysteme mit großem Gasplaneten (“groß”) fkat = Anteil Planeten mit wenig katastrophalen Einschlägen (“klein”?) Die meisten Faktoren sind Bruchteile mit dem Resultat zwischen N=0 ... N=1 Abschätzungen daher sehr spekulativ, wiss. nicht verifizierbar. Elementsynthese, Astrochemie, Leben Kommunikation mit Leben in der Milchstraße M.E. nicht möglich (Entfernungen, Zeitskalen) Reisen energetisch unmöglich (auch nicht mit Mehrgenerationen-Raumschiffen) Botschaften an/von Zivilisationen: 1) Pioneer 10/11-Sonde: Platte mit Bildern, Position der Sonde 04-2011: 81000 AE Distanz (11 Lichtstd) Sternbild Schild, 11000km/s 2) Voyager-Sonde: goldene Schallplatte mit Daten 3) SETI@home: Untersuchung der Signale von Radiotelekopen auf außerirdische Nachrichten; Signalverarbeitung mit Mio. privaten Computern 4) Radiosignal zu Gliese 581c am 9.10.2008, bestehend aus 508 versch. Meldungen (öffentl. Umfrage). Signal erreicht Stern 2029 Elementsynthese, Astrochemie, Leben Das (astronomische) Schicksal der Erde Elementsynthese, Astrochemie, Leben Leuchtkraft gegen Temperatur -> Hauptreihe, Riesen...Zwerge Elementsynthese, Astrochemie, Leben Sternentwicklung: Altersentwicklung von der ZAMS Hauptreihensterne “leben” vom Wasserstoffbrennen -> Vorrat begrenzt -> begrenztes Lebensalter der Sterne: Hauptreihenentwicklung ZAMS Elementsynthese, Astrochemie, Leben “Lebenszeit” der Sterne: Energiekrise beendet Sternen-Dasein Lebenszeit eines Sterns wie die Sonne: Energievorrat für 11 Mrd Jahre Alter der Sonne (jetzt): 5 Mrd Jahre -> Halbzeit !! Aber: bevor Sonne erkaltet, ändert sich ihr Zustand dramatisch: -> bis in 500 Mio Jahren steigt Sonnenleuchtkraft um 10% (starker Treibhauseffekt, Anstieg der Erdtemperatur, Verdunsten der Meere) -> bis in 1 Mrd Jhr steigt Sonnenleuchtkraft um 20% - Leben auf Erde längst unmöglich - Marstemperatur 10° mit Ozeanen -> in 3 Mrd Jhr: Marstemperatur 25°C mit dichter Atmosphäre -> in 6 Mrd Jhr Ausdehnung der Sonne -> “Roten Riese”, 20-facher Radius: - von Erde aus Sonne 20-fach größer als heute - Erdtemperatur 750°C - Ozeane auf Jupitermonden, doch bald Temperaturen bis zu 250°C Elementsynthese, Astrochemie, Leben Elementsynthese, Astrochemie, Leben “Lebenszeit” der Sterne: Energiekrise beendet Sternen-Dasein -> Sonne wird instabil: Sonnen-Leuchtkraft wächst 10.000-fach, Sonnenradius wächst auf Erdbahnradius-> Sonne wird zu Roten Überriesen: - auf Pluto 50°, (äußere) Gasplaneten wachsen, Merkur & Venus von Sonne verschluckt, Mars-Bahn dehnt sich aus - genaue Schicksal der Erde noch ungewiss: Sonnenoberfläche bis nah an Erde !! -> längst keine Atmosphäre mehr, Oberfläche besteht aus Lava -> stürzt Erde in Sonne ??? -> Erdumlaufbahn vergrößert ??? -> Massenverlust der Sonne: Überriesen-Stadium nur kurz, heißer Sonnenkern bleibt übrig; “Weißer Zwerg”, strahlt weiß -> weißer Zwerg kühlt langsam aus: wird gelb, orange, rot, dunkelrot, ... (innerhalb von Mrd Jhr) -> in 16 MrdJhr ausgekühlt, ausgestrahlt -> “schwarzer” Zwerg Astronomie für Nicht­Physiker SS 2011 14.4. Astronomie heute: Einführung, Überblick (Just, Fendt) 21.4. Teleskope, Instrumente, Bilder, Daten (Fendt) 28.4. Geschichte der Astronomie (Just) 5.5. Sonne, Mond und Erde (Just) 12.5. Sonne und Planetensystem (Just) 19.5. Sterne: Zustandsgrößen (Fendt) 26.5. Die Milchstraße (Just) 9.6. Sterne: Entwicklung & Entstehung (Fendt) 16.6. Galaxien (Just) 30.6. Quasare und Schwarze Löcher (Just) 7.7. Urknall und Expansion des Universums (Just) 14.7. Elementsynthese, Astrochemie und Leben (Fendt) 21.7. Weltmodelle (Just) 28.7. Besuch am MPIA / Landessternwarte: 16:00 am MPIA Elementsynthese, Astrochemie, Leben Appendix Fragestellungen zum extraterrestrischen Leben Elementsynthese, Astrochemie, Leben Definitionen von Leben: (Irdische) Lebensformen: Pflanzen, Mikroben, Bakterien, ... -> Basiert auf Kohlenstoffverbindungen . -> benötigt flüssiges Wasser -> andere Lebenschemie möglich? Kohlenstoff <--> Silizium Intelligentes Leben: Was ist Intelligenz? Intelligenz bei Tieren? Fremde Zivilisationen Elementsynthese, Astrochemie, Leben Definitionen von Leben: (Irdische) Lebensformen: Pflanzen, Mikroben, Bakterien, ... -> Basiert auf Kohlenstoffverbindungen -> benötigt flüssiges Wasser Bedeutung von Kohlenstoff: -> bildet chemische Verbindungen mit vielen anderen Atomen: -> große chemische Vielseitigkeit -> Vebindungen mit H, O, N, S, P; H,O,C,N häufigste Elemente im Universum -> Verbindungen auch mit Metallen (Fe, Mg, Zn) -> bildet wasserlößliche Verbingungen: -> Wasser wesentlich für irdisches Leben, erleichtert chemische Reaktionen, -> Organische Verbindungen enthalten C-H Atombindungen Elementsynthese, Astrochemie, Leben Definitionen von Leben: -> Basiert auf Kohlenstoffverbindungen -> benötigt flüssiges Wasser Ersetze Kohlenstoff durch Silizium??? -> ähnliche Atomstruktur: 4-bindiges Element -> Methan (CH4) -> Silan (SiH4) Aber: -> Bindungen weniger stabil: Si kann keine (?) Ketten bilden: kein Siliziumwasserstoff wie Si-Si-Si, nur Si-O-Si-O-Si-O-SI (geringere Energiespeicherdichte) -> weniger Vielfalt in organischer Chemie - Verbrennen von Kohlenstoff: C -> CO2 (gasförmig) “Verbrennen” von Silizium: Si -> SiO2 (fest, “Sand”) - kein Lösemittel wie Wasser -> Si schwerer -> möglicher Stoffwechsel (zu) langsam Elementsynthese, Astrochemie, Leben Definitionen von Leben: (Irdische) Lebensformen: Pflanzen, Mikroben, Bakterien, ... -> Basiert auf Kohlenstoffverbindungen -> benötigt flüssiges Wasser Bedeutung von Wasser: -> Lösungsmittel: löst leicht polare organische Molküle (apolare schwer auflösbar) H2O-Moleküle bilden H-Bindungen -> Medium für chemische Reaktionen -> Transportmittel für Nährstoffe, Abfallstoffe, Botenstoffe, Wärme -> irdische Lebewesen bestehen zu 70% aus Wasser -> Entstehungsort irdischen Lebens (?) Elementsynthese, Astrochemie, Leben Definitionen von Leben: (Irdische) Lebensformen: Pflanzen, Mikroben, Bakterien, ... -> Basiert auf Kohlenstoffverbindungen -> benötigt flüssiges Wasser Ersetze Wasser durch Ammoniak (NH3) ??? -> -> -> -> -> -> -> -> Siedepunkt bei 1Atm Druck -33°C, 98° bei 60 Atm flüßig ... könnte Proteine und Nukleinsäuren auf Ammoniakbasis bilden Peptide könnten ohne Änderung existieren gutes Lösungsmittel (oft besser als Wasser) beobachtet im ISM und auf Gasplaneten reqagiert langsam bei niederen Temperaturen schwächere H-Bindungen Elementsynthese, Astrochemie, Leben Definitionen von Leben: (Irdische) Lebensformen: Pflanzen, Mikroben, Bakterien, ... -> Basiert auf Kohlenstoffverbindungen -> benötigt flüssiges Wasser -> andere Lebenschemie möglich? 1) Silizium statt Kohlenstoff 2) Ammoniak based life: flüssiges Ammoniak statt wasser 3) Bor statt Kohlenstoff 4) Stickstoff statt Kohlenstoff 5) Phosphor statt Kohlenstoff ...... ...... Elementsynthese, Astrochemie, Leben Alternative Lebensformen: - ammonia-based life - android - artificial life - Black Cloud, The - blood, varieties of (including extraterrestrial) - boron-based life - bubble life - carbon dioxide-based life - cyborg - energy-based life - gravitational life - hydrogen peroxide-based life - life in space - molecular quantum computing cloud - nitrogen-based life - noncorporeal life - phosphorus-based life - plasma-based life - silicon-based life - telepathic species Spekulative Lebensform beschrieben von Tamulis et al (ähnlich zur “schwarzen Wolke” v. Fred Hoyle). Die Quantencomputer-Molekülwolke ( “molecular quantum computing cloud”) würde magnetische Energie und Licht von Sternen absprbieren, sie zu Information verarbeiten, und diese durch Strahlungsdruck in den Weltraum abstrahlen. Funktionsprinzip ähnlich zu molekularen Quanten-Computern, die mit photoaktive Molekülen arbeiten, die Lichtenergie in magnetisierte Flops unmwandeln und ein zentrales Element von 10 Quanten-Bits steuern. Wichtig für solches Quantencomputer-basiertes Leben wären langlebige kohärente Quantenzustände, die nur für extrem niedrige Temperaturen wie im interstellarem Staub oder auf sehr kalten Planeten existieren könnten. siehe: www.daviddarling.info/encyclopedia/A/alternative_forms_of_life.html
