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Astronomie für Nicht­Physiker SS 2013 18.4. Astronomie heute (Just, Fendt) 25.4. Sonne, Erde, Mond (Fohlmeister) 2.5. Das Planetensystem (Fohlmeister) 16.5. Teleskope, Instrumente, Daten (Fendt) 23.5. Geschichte der Astronomie (Just) 6.6. Sterne: Zustandsgrößen (Fendt) 13.6. Sterne: Entstehung & Entwicklung (Fendt) 20.6. Die Milchstraße (Just) 27.6. Astrochemie, Exoplaneten & Leben (Fendt) 4.7. Galaxien (Just) 11.7. Aktive Galaxien, Quasare und Schwarze Löcher (Fendt) 18.7. Urknall und Expansion des Universums (Just) 25.7. Weltmodelle (Just) 1.8. 16:00 Besuch MPIA/LSW (Fendt) Astronomie für Nicht­Physiker SS 2013 13.6. Sterne: Entstehung & Entwicklung (Fendt) Inhalt: 1) Chemische Häufigkeiten 2) Moleküle, Staub, Wolken 3) Exoplaneten / habitable Zone / Messmethoden 4) Leben im All 5) Schicksal der Erde Astrochemie, Exoplaneten, Leben Astrochemie: Chemische Häufigkeiten Moleküle Astrochemie, Exoplaneten, Leben Elementhäufigkeiten: Urknall: 75% Wasserstoff, 25% Helium Sterne: Fusion: Wasserstoffbrennen, Heliumbrennen, ... bis Eisen -> chemischen Zusammensetzung: chemische Häufigkeit Sterne: s- und r-Prozesse (SN-Explosionen) ab Eisen “solare Häufigkeit”: Häufigkeiten verschiedener Elemente im Sonnensystem 1) spektroskopische Bestimmung in Sonnenphotosphäre (=Oberfläche) 2) Meteoriten: überstehen Flug durch die Atmosphäre, Boten der Frühzeit des Sonnensystems, aus interstellarem Gas entstanden (Urmaterie der Sonnenentstehung) -> Übereinstimmung für die meisten Elemente -> 98% Massenanteile: Wasserstoff (H) und Helium (He); Rest “Metalle” -> schwere Kerne selten, Häufigkeitsmaximum 56Fe Messung anderer Häufigkeiten in Einheiten der solaren Häufigkeit Astrochemie, Exoplaneten, Leben Elementhäufigkeiten: “solare Häufigkeit”: -> 98% der Masse aus Wasserstoff (H) und Helium (He), Rest andere “Metalle” -> schwere Kerne selten, Häufigkeitsmaximum bei 56Fe Astrochemie, Exoplaneten, Leben Elementhäufigkeiten: “solare Häufigkeit”: -> 98% der Masse aus Wasserstoff (H) und Helium (He) -> schwere Kerne selten, Häufigkeitsmaximum bei 56Fe Logarithmische Skala der Häufigkeit Astrochemie, Exoplaneten, Leben Elementhäufigkeiten: “solare Häufigkeit”: im Vergleich zu den Häufigkeiten in den Planeten: Erde (Massenanteil in Kruste, Ozean, Atmosphäre): Sauerstoff (O) 46.6%, Silizium (Si) 27.7%, Aluminium (Al) 8.1%, Eisen (Fe) 5.0%, Calcium (Ca) 3.6%, Natrium (Na) 2.8%, Kalium (K) 2.6%, Magnesium (Mg) 2.1 %, Wasserstoff (H) 0.9%, Titan (Ti) 0.6%, ... Erde (mit Kern): Eisen 35%, Sauerstoff 30%, Silicium 15%, Magnesium 13%, Nickel, Schwefel, Calcium, Aluminium u.a. je unter 3 % Jupiter: 6% Gesteinskern (??), außerhalb ~70% Wasserstoff, 25% Helium, 5% Metalle Saturn: 20% Gesteinskern(??), außerhalb ~96% Wasserstoff, 3% Helium, 1% Metalle (äußere 50%) Merkur: 70% der Masse im Eisenkern (Dynamo, starker Magnetfeld) Mond: Sauerstoff 61%, Silicium 16%, Aluminium 9.4%, Calcium 5.8%, Magnesium 4.2%, Eisen 2.6%, Natrium 0.4%, Titan 0.3% (Oberfläche) = Zeugen der Entstehungsgeschichte des Sonnensystems Astrochemie, Exoplaneten, Leben Elementhäufigkeiten: In anderen Sternen: Sternpopulationen: Population I: -> wie Sonne: 2% schwere Elemente -> junge Sterne, Sterne der Scheibe der Galaxis, offene Sternhaufen Population II: -> Anteil schwerer Elemente im Promillebereich -> beobachtet in Kugelsternhaufen, im Halo, in Zwerggalaxien, alte Sterne Population III: -> entstanden im frühen Universum (z=10), sehr massereich (100-200 MO), sehr kurzlebig -> bisher keinerlei Beobachtungshinweise !! -> bestehen nur aus Wasserstoff und Helium Astrochemie, Exoplaneten, Leben Astro-Chemie, Atome, Moleküle, Staub Astrochemie, Exoplaneten, Leben Astrochemie: 99 % der (sichtbaren) Materie ist im Plasma-Zustand: heiße Materie: 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 ionisiertem H, andere Ionen, T>10000 -> Bildung von Molekülen: Molekülwolken, molekulares Gas: Wasserstoffmoleküle H2, CO, andere freie Atome und Ionen (H, C, O, C+, Fe+, ...) komplexe Moleküle, Staub aus schweren Elementen Astrochemie, Exoplaneten, Leben Moleküle, Atome im interstellaren Medium (ISM): ISM besteht aus mehreren Bestandteilen (“Phasen”, im Druck-GG): -> zum Teil durchmischt -> z.T. geheizt durch heiße Sterne und Supernova-Explosionen -> Phasenübergänge durch Heiz- und Kühlprozesse ISM-Komponente Dichte 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 vgl. Erdatmosphäre: 1.2 kg/m3 =0.001 gr/cm3 ~6x1020 Teilchen /cm3 Astrochemie, Exoplaneten, Leben Moleküle: am häufigsten H2, dann CO und H2O -> Beobachtungen von CO sind 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 Astrochemie, Exoplaneten, Leben Moleküle: Beobachtung von Molekülen: Bei Atomen: Photonenenergie (Frequrenz, Lichtwellenlänge) durch Energieniveaus der Elektronenschalen im Atomkern gegeben -> Linienspektrum Bei Molekülen: Weitere Energieniveaus z.B. durch Schwingungen (Vibration) oder Rotation der Moleküle -> Sehr viele Linien: komplexe Molekülstruktur, viele Energieniveaus möglich Moleküllinien meist im Infrarot / sub-mm / Radiobereich Astrochemie, Exoplaneten, Leben Molekülwolken um galaktisches Zentrum: Riesenmolekülwolke Sagittarius B2 (mit “Large Molecule Heimat”): - 400 Lj vom Zentrum, 200K “heißer” Kern, - Alkoholen, Formaldehyd: Ameisen- & Essigsäure, Glykolaldehyd, Ethylenglukol - Aminosäuren-verwandtes Molekül entdeckt: Aminoacetonitril Rechts: 90cm-Radiostrahlung (330 MHz) Links: 850 GHz Staub-Emission der heißen Kerne des Sternentstehungsgebiets, 10m-Teleskop des Caltech Sub-mm Observatory, Mauna Kea Astrochemie, Exoplaneten, Leben Molekülwolken um galaktisches Zentrum: Astrochemie, Exoplaneten, Leben Biomoleküle: Robert C. Byrd Green Bank Telescope (GBT) Astrochemie, Exoplaneten, 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 Astrochemie, Exoplaneten, Leben und andere, siehe www.cdms.de Astrochemie, Exoplaneten, Leben und andere mehr, siehe www.cdms.de Astrochemie, Exoplaneten, Leben Staub: Staub wird produziert in 1) alten Sternen, letzte Entwicklungsstadien: Atmosphären Roter Riesen, Planetarische Nebel, Novae, Supernovae 2) ISM, direkte Entstehung 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 1mm, Anzahldichte: n(a) ~ a-3.5 (Mathis et al 1977) Staub-zu-Gas-Verhältnis: 1:100 bis 1:200 Struktur/Entwicklung nicht wirklich bekannt -> Modellsimulationen: Astrochemie, Exoplaneten, Leben Staub: Struktur/Entwicklung nicht wirklich bekannt -> Modellsimulationen: -> Staubkörner meist nicht sphärisch -> fraktale Struktur “fraktale Adhäsion” -> Konglomerate sphärischer Bausteine (in Farbe): Astrochemie, Exoplaneten, Leben Staub: Direkte Untersuchung von kosmischem Staub: Interplanetarer Staub: Staubkorn aus Erdbahn, Entstehung im ISM (?) Interplanetarer Staub: - eingefangen durch Höhenflugzeug U2 - besteht aus: Glas, Kohlenstoff, weiteren Silikat-Körner, - Durchmesser: 10 Mikrometer NASA Astrochemie, Exoplaneten, Leben Staub: Extinktion durch interstellarem Staub -> Lichtabschwächung und Rötung Barnard 68 (ESO) Astrochemie, Exoplaneten, Leben Exoplaneten / extrasolare Planeten Astrochemie, Exoplaneten, Leben Motivation: Suche nach einer zweiten Erde Sind wir allein im All ?? 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 Astrochemie, Exoplaneten, Leben Habitable Zone (HZ, Lebenszone): Vergleich Sonne mit Gliese581 Astrochemie, Exoplaneten, Leben Habitable Zone: Vergleich Sonne mit anderen Sternen (Masse) Astrochemie, Exoplaneten, 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 Wellenlänge Planeten sind klein und massearm: -> kaum dynamische Effekte auf Mutterstern Seit 1995 Sucherfolge mit verschiedenen Methoden: Stand Juni 2013: 695 Planetensysteme / 891 Planeten / 133 Systeme mit mehreren Planeten Astrochemie, Exoplaneten, 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 Astrochemie, Exoplaneten, Leben Transitmethode: Planet zieht vor Scheibe des Muttersterns vorbei -> entspricht “Sonnen”finsternis -> Helligkeit periodisch -> 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 Astrochemie, Exoplaneten, Leben Transitmethode: -> Satellitenmissionen: Kepler (2009, NASA) Plan / Erwartung: Entdeckung von Exoplaneten verschiedener Klassen aus beobachteten ~100000 Sternen 3216 Kandidaten herausgefiltert: Astrochemie, Exoplaneten, Leben Transitmethode: -> Satellitenmissionen: Kepler (2009, NASA) Plan / Erwartung: Entdeckung von Exoplaneten verschiedener Klassen aus bisher beobachteten ~100000 Sternen 3216 Kandidaten herausgefiltert: - 351 erdgroße Planeten, Radius (Rp) < 1.25 Erdradien (Re) - 816 über-erdgroße Planeten, 1.25 x Re < Rp ≤ 2.0 x Re - 1290 Neptun-große Planeten, 2.0 x Re < Rp ≤ 6.0 x Re - 202 Jupiter-große Planeten, 6.0 x Re < Rp ≤ 15 x Re - 81 übergroße Exoplaneten, 15.0 x Re < Rp ≤ 22 x Re (Jan.2013) Astrochemie, Exoplaneten, Leben Transitmethode: Pressemitteilung von Kepler/NASA 7.1.2013 (Fressin, Torres & Charbonneau) “At least One in Six stars has an Earth-size planet” “... found that 50 % of stars have a planet of Earth-size or larger in a close orbit. By adding larger planets, which have been detected in wider orbits up to the orbital distance of the Earth, this number reaches 70 %.” “... Extrapolating from Kepler's currently ongoing observations and results from other detection techniques, it looks like practically all Sun-like stars have planets....” “The team then grouped planets into five different sizes. They found that 17 % of stars have a planet 0.8 - 1.25 times the size of Earth in an orbit of 85 days or less. About 25 % of stars have a super-Earth (1.25 - 2 times the size of Earth) in an orbit of 150 days or less. The same fraction of stars has a miniNeptune (2 - 4 times Earth) in orbits up to 250 days long.” “Larger planets are much less common. Only about 3 % of stars have a large Neptune (4 - 6 times Earth), and only 5 % of stars have a gas giant (6 - 22 times Earth) in an orbit of 400 days or less.” Astrochemie, Exoplaneten, 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 Astrochemie, Exoplaneten, 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 Astrochemie, Exoplaneten, 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 Astrochemie, Exoplaneten, Leben Exoplaneten Anzahl der entdeckten Planeten stark steigend Sehr aktives Forschungsgebiet: -> neue Teleskope / Instrumente / Satelliten .... Ziel: eine 2. Erde zu finden ! Astrochemie, Exoplaneten, Leben Exoplaneten Presseerklärung der ESO vom 25.6.2013: “Drei Planeten in der habitablen Zone eines nahen Sterns” Stern 667C, 1/3 Sonnenmasse, Mitglied des Sternsystems Gliese 667, 22 Lj Entfernung, Sternbild Skorpion Dreifach-System A/B/C: tags zwei zusätzliche Sonnen, nachts wie 2 Vollmonde A/B-Abstand ~12 AE, C-Abstand 230 AE, 2x K-Stern, 1x M-Stern Astrochemie, Exoplaneten, Leben Exoplaneten Presseerklärung der ESO vom 25.6.2013: “Drei Planeten in der habitablen Zone eines nahen Sterns” Neue Beobachtungen: HARPS-Instrument, Daten vom Keck-Observarotium, den Magellan-Teleskopen & VLT der ESO -> Anzeichen von bis zu sieben Planeten 3 Planeten sind “Supererden” (massenreicher als Erde, masseärmer als Uranus/ Neptun) in der habitablen Zone des Sterns befinden, je 2 sind heiße/kühle Planeten innen/außen Erstmalig 3 solcher Planeten in einer habitablen Zone entdeckt. Astrochemie, Exoplaneten, Leben Leben im All Astrochemie, Exoplaneten, 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? ) Annahme: Wenn Leben entsteht, wird es sich intellegent entwickeln (?) 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 (alternativ zu irdischen)? Astrochemie, Exoplaneten, Leben Leben auf der Erde: dünne Atmosphäre (10km), Ozeane (8km) << Erdradius 6.370 km - Entstehung des Lebens vor 2 Mrd Jahren (Sauerstoff i.d. Atmosphäre) Intelligentes Leben vor 2 Mio Jahren, homo erectus Technologie vor ~2000 Jahren Naturwissenschaften vor ~500 Jahren Erdoberfläche und -atmosphäre vom Space Shuttle aus gesehen Astrochemie, Exoplaneten, Leben Kopernikanisches Prinzip: -> Menschheit nimmt keine priviligerte Stellung im Universum ein, sondern eine typische, durchschnittliche Anthropisches Prinzip: (Viele Versionen, kontroverse Diskussionen) Hintergrund: scheinbare “Feinabstimmung” der physikalischen Naturkonstanten und kosmologischen Parameter Carter 1974: “Large number coincidences & the anthropic principle in cosmology” Allgemeines AP: “... was wir zu beobachten erwarten können, muss eingeschränkt sein durch die Bedingungen, die für unsere Gegenwart als Beobachter notwendig sind.” Schwaches AP: ”... wir müssen vorbereitet sein, ... in Betracht zu ziehen, dass unser Ort im Universum in dem Sinne notwendig privilegiert ist, dass er mit unserer Existenz als Beobachter vereinbar ist.” Starkes AP: “... das Universum (und seine fundamentalen Parameter, von welchen es abhängt) muss derart sein, dass es die Entstehung von Beobachtern in ihm in manchen Phasen erlaubt.” John Leslie: anthropische Prinzip = Tautologie -> “Jedes intelligente Lebewesen, das existiert, kann sich selbst nur dort vorfinden, wo intelligentes Leben möglich ist” Astrochemie, Exoplaneten, Leben Leben im Sonnensystem: bisher 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 -> dominiert von Stickstoff, komplexe Chemie Astrochemie, Exoplaneten, Leben Leben auf Exoplaneten: Suchkriterien: -> Habitable (bewohnbare) Zone (HZ) um einen Stern: d.h. 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 Astrochemie, Exoplaneten, 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 und Werte z.T. sehr unsicher !!!!! Merke: Kein Exoplanet bekannt zu dieser Zeit !!! Astrochemie, Exoplaneten, Leben Wahrscheinlichkeit von Leben in der Milchstraße: “Rare-Earth”-Gleichung Ward & Brownlee: Anzahl N erdähnlicher Planeten mit komplexem Leben N = NSMW * fp * nh * fh * fg * fi * fC * fL * fM * fJ * fkat NSMW = fp = nh = fh = fg = fi = fc = fL = fM = fJ = fkat = Anzahl Sterne i.d. Milchstraße = 1 - 5x 1011 Anteil Sterne mit Planetensystem Anzahl Planeten in habitabler Zone (10%?)) Anteil Sterne in galax'ktischer habitabler Zone Anteil Gesteinsplanenten (terrestrische Planeten) Anteil Planeten mit mikrobiologischem Leben (“hoch”) Anteil Planeten mit komplexem Leben (“sehr klein”) Bestandsdauer des komplexen Lebens Anteil Planeten mit großem Mond Anteil Planentensysteme mit großem Gasplaneten (“groß”) Anteil Planeten mit wenig katastroph. Einschlägen (“klein”?) Die meisten Faktoren sind Bruchteile -> Resultat: N=0 ... N=1 -> Abschätzungen sehr spekulativ, wiss. nicht verifizierbar Astrochemie, Exoplaneten, Leben Kommunikation mit Leben in der Milchstraße Besuche nicht möglich: Entfernung, Energiebudget !!! Botschaften an/von Zivilisationen: 1) Pioneer 10/11-Sonden: Platte mit Bildern, Positionen 2013: 100000/80000 AE Distanz Sternbilder Stier/Schild, 12000km/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 verschiedenen Meldungen (öffentl. Umfrage). Signal erreicht Stern 2029 Astrochemie, Exoplaneten, Leben Extraterrestrisches Leben ???? -> Definitionen von Leben: (Irdische) Lebensformen: Pflanzen, Mikroben, Bakterien, ... -> basiert auf Kohlenstoffverbindungen . -> benötigt flüssiges Wasser -> andere Lebenschemie möglich? Kohlenstoff, Wasser ersetzen ?? Intelligentes Leben: Was ist Intelligenz? Intelligenz bei Tieren? Fremde Zivilisationen Annahme (??): Wenn Leben entsteht, wird es sich intellegent entwickeln Astrochemie, Exoplaneten, 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 sind häufigste Elemente im Universum -> Verbindungen auch mit Metallen (Fe, Mg, Zn) -> bildet wasserlösliche Verbingungen: -> Wasser wesentlich für irdisches Leben, erleichtert chemische Reaktionen, -> Organische Verbindungen enthalten C-H Atombindungen Astrochemie, Exoplaneten, 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 Astrochemie, Exoplaneten, 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 (?) Astrochemie, Exoplaneten, Leben Definitionen von Leben: (Irdische) Lebensformen: Pflanzen, Mikroben, Bakterien, ... -> basiert auf Kohlenstoffverbindungen -> benötigt flüssiges Wasser Ersetze Wasser durch Ammoniak, NH3 ??? -> -> -> -> -> -> -> -> Siedepunkt bei 1 Atm 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 reagiert langsam bei niederen Temperaturen schwächere H-Bindungen Astrochemie, Exoplaneten, Leben Definitionen von Leben: (Irdische) Lebensformen: Pflanzen, Mikroben, Bakterien, ... -> basiert auf Kohlenstoffverbindungen -> benötigt flüssiges Wasser -> andere Lebenschemie möglich? 1) 2) 3) 4) 5) Silizium statt Kohlenstoff Ammoniak based life: flüssiges Ammoniak statt Wasser Bor statt Kohlenstoff Stickstoff statt Kohlenstoff Phosphor statt Kohlenstoff ...... ...... Astrochemie, Exoplaneten, 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 Quanten-Computer-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 Quanten-computerbasiertes 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 Astrochemie, Exoplaneten, Leben Das (astronomische) Schicksal der Erde Astrochemie, Exoplaneten, Leben Sternentwicklung: Altersentwicklung von der ZAMS Hauptreihensterne “leben” vom Wasserstoffbrennen -> Vorrat begrenzt -> begrenztes Lebensalter der Sterne: Entwicklungszeit von Hauptreihensternen (Zeit E nach der 10% Wasserstoff verbraucht ist) Masse Leuchtkraft E (Sonne=1) (Sonne=1) (Jahre) O5V 60 405000 550000 B0V 18 13000 2.4 Mio B5V 6 830 52 Mio A0V 3 54 390 Mio F0V 1.5 6.5 1.8 Mrd G0V 1.1 1.5 5.1 Mrd K0V 0.8 0.43 14 Mrd M0V 0.5 0.08 48 Mrd Spektraltyp Hauptreihenentwicklung ZAMS Astrochemie, Exoplaneten, 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 Erdtemperatur, Meere verdunsten) -> 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 Astrochemie, Exoplaneten, Leben Astrochemie, Exoplaneten, Leben “Lebenszeit” der Sterne: Energiekrise beendet Sternen-Dasein -> in 6 Mrd Jhr: Ausdehnung der Sonne: “Roter Riese”, 20x Radius: - von Erde aus gesehen: Sonne 20-fach größer als heute - Erdtemperatur 750°C - Ozeane auf Jupitermonden, doch bald Temperaturen bis zu 250°C -> Sonne wird instabil: - Sonnen-Leuchtkraft wächst 10.000-fach, - Sonnenradius ~ Erdbahnradius -> Sonne wird zum Roten Überriesen: - auf Pluto 50°, - (äußere) Gasplaneten wachsen, - Merkur, Venus “verschluckt”, Mars-Bahn dehnt sich aus Astrochemie, Exoplaneten, Leben “Lebenszeit” der Sterne: Energiekrise beendet Sternen-Dasein - genaueres 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: wird gelb, orange,... rot, ... (innerhalb von Mrd Jhr) -> in 16 Mrd Jhr ausgekühlt, ausgestrahlt -> “schwarzer” Zwerg Astronomie für Nicht­Physiker SS 2013 18.4. Astronomie heute (Just, Fendt) 25.4. Sonne, Erde, Mond (Fohlmeister) 2.5. Das Planetensystem (Fohlmeister) 16.5. Teleskope, Instrumente, Daten (Fendt) 23.5. Geschichte der Astronomie (Just) 6.6. Sterne: Zustandsgrößen (Fendt) 13.6. Sterne: Entstehung & Entwicklung (Fendt) 20.6. Die Milchstraße (Just) 27.6. Astrochemie, Exoplaneten & Leben (Fendt) 4.7. Galaxien (Just) 11.7. Aktive Galaxien, Quasare und Schwarze Löcher (Fendt) 18.7. Urknall und Expansion des Universums (Just) 25.7. Weltmodelle (Just) 1.8. 16:00 Besuch MPIA/LSW (Fendt)
