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Habitabilidade. Eixos de pesquisa astrobiológica História da complexidade cósmica Universo...

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Habitabilidade
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Page 1: Habitabilidade. Eixos de pesquisa astrobiológica História da complexidade cósmica Universo molecular Habitabilidade Sistema Solar Exoplanetas Extremófilos.

Habitabilidade

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Eixos de pesquisa astrobiológica • História da complexidade cósmica

• Universo molecular

• Habitabilidade

• Sistema Solar

• Exoplanetas

• Extremófilos

• Origens da vida

• Bioassinaturas

• Evolução das biosferas

• Ação humana na Terra e além

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HabitabilityHomes for Life

• Conditions for the rising of life (conditions for the development of complexity – complex chemistry, long time spans, critical prebiotic mass)

• Conditions for the life to survive (against catastrophes of geological or astronomical origin)

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Three Levels of Habitability

• Biophilic Cosmos

• Galactic Habitable Zone

• Stellar Habitable Zone

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On the most basic level

The “Goldilocks zone”in planetary systems

The Stellar Habitable Zone

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Stellar habitable zone

R

Main assumptions: Surface H2O for ~ Gyear, geological activity, CO2-H2O-N2 atmosphere, B-field, climate stability, resistance to catastrophes for ~ Gyear

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On the intermediate level

The “Goldilocks zone”for galaxies

The Galactic Habitable Zone

orGalaxies as home for life

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On the most universal (or “multi-universal”) level

-The Universe as a “Goldilocks problem”

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Cosmic Habitability

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A Biophilic Universe

Martin ReesOur Cosmic Habitat

A universe hospitable to life – what we may call a biophilic universe – has to be very special in many ways. The prerequisites for any life – long-lived stars, a period table of elements with complex chemistry, and so on – are sensitive to physical laws and could not have emerged from a Big Bang with a recipe that was even slightly different.

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APENAS SEIS NÚMEROS

• N = 1036, a razão da força eletromagnética para a força gravitacional entre dois prótons.

= 0.007, medida da intensidade da energia de ligação entre os neutrons e prótons dentro do núcleo atômico.

= 0.3, quantidade de matéria no Universo = 0.7, quantidade de energia em vácuo no

Universo • Q = 1/100 000, medida da profundidade média das

flutuações de densidade do Universo• D = 3, número de dimensões do espaço

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A cosmological perspective to search of life in the Universe...

Life building blocks come

from these components...

Ωb = 0.04 ΩT

Bennett et al., ApJ Suppl Series 2003

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Qual a Origem dos Elementos Quimicos?

• Nucleossíntese primordial é insuficiente• Não ultrapassa o numero de massa 8• Produz apenas Hélio, Deutério e Lítio• Do Carbono em diante, e necessaria a

nucleossíntese estelar!• O nascimento das estrelas é essencial para o

surgimento do C e da química necessária à vida!!!

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NUCLEOSSÍNTESE PRIMORDIAL

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NUCLEOSSÍNTESE ESTELAR

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Supernovas• Morte Violenta!• Mais de um tipo:

– Ia: sistemas binários– II: estrelas de alta massa

• SNII: queima nuclear até Fe• Colapso gravitacional• Núcleo estrela de

neutrons• Camadas exteriores

supernova• O, elementos , C, (Fe), (N)• Tempos: Manos (ou anos

para as hipernovas primevas)

SN1987A (David Malin and the Anglo Australian Observatory)

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Nebulosas Planetárias• O Sol vai morrer assim!• Estrelas com massas

menores que 8 vezes a massa do Sol

• Núcleo anã branca• Camadas exteriores

nebulosa planetária • C, N• Tempos: até varios Ganos• Promovem as condições

pré-bióticas.

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Universo Orgânico!

• 0.5 % da matéria bariônica “visível” está na forma molecular. (Fraser, McCoustra & Willians, 2002, A&G, 43, 2.11).

• 148 Moléculas detectadas no espaço 148 Moléculas detectadas no espaço (~50% orgânicas: CHON).(~50% orgânicas: CHON).

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Como as biomoléculas são encontradas?

Radiotelescopes Radiotelescopes (rotational (rotational lines)lines)

IR-Telescopes IR-Telescopes (vibrational lines)(vibrational lines)

Itapetinga, SPItapetinga, SP

VLAVLA

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Hale-BoppHale-Bopp MurchinsonMurchinson

Gaseous Pillars – Eagle NebulaGaseous Pillars – Eagle Nebula Key hole NebulaKey hole Nebula

TitanTitan

Onde são encontradas as biomoléculas?

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Galactic Habitability

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Connecting Galaxy Formation to Biophilic Environments

• The galaxies are natural blocks (“cells”) from which the Universe is composed

• The stars occur in galaxies, and they are the responsible for the chemical evolution

• The galaxies have optimal levels of chemical abundances and radiation fields needed for the rise of the life

• The early evolution of galaxies are characterized by starbursts, in which dust and molecules are formed, leading to complex chemistry.

• The first, massive stars, harbored in protogalaxies, synthetize mainly CNO, thus organic chemistry is present in a Universe as young as z=30 at least

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Galaxies and HabitabilityIntensive view

Galaxies as laboratories of complex chemistry

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Example: dusty early spheroids(elliptical galaxies and bulges of spirals)

complex chemistry as revealed by PAH lines

• Spheroids in formation resemble dusty starburts• Large amounts of dust produced in 0.1-0.3 Gyr• Reprocessing of UV starlight into local FIR• Rest-frame FIR redshifted to submm/mm• Lines of PAHs (rest-frame MIR)

– Features at 3.3, 6.2, 7,7, 8.6 and 11.3 m due to C-H and C-C bounds

– Intensity of the features sets ages for the starburst in the 0.03-1 Gyr range

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PAH Species in the Model

LINEAR

BIPHENILPERICONDENSATE

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Spitzer Space Telescope

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PAH WORLD

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H

C

N

Recent detection of a PANH in the IRHudgins et al. ApJ, 2005

• Spitzer detected PANHs in various galaxies, besides our own. • First direct evidence for the presence of a prebiotic interesting compound in

space.• Presence of N is essential in biologically interesting compounds (clorophyle).• The presence of a planet is no longer necessary for the formation of a PANH.

Caffeine

Page 43: Habitabilidade. Eixos de pesquisa astrobiológica História da complexidade cósmica Universo molecular Habitabilidade Sistema Solar Exoplanetas Extremófilos.

From theRNA Worldto theAromatic World

Page 44: Habitabilidade. Eixos de pesquisa astrobiológica História da complexidade cósmica Universo molecular Habitabilidade Sistema Solar Exoplanetas Extremófilos.

Generalized PANH Species

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Page 46: Habitabilidade. Eixos de pesquisa astrobiológica História da complexidade cósmica Universo molecular Habitabilidade Sistema Solar Exoplanetas Extremófilos.

Detecting PANHs through the 6.2 line

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Detecting Water through the 6.2 line

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Galaxies and HabitabilityExtensive view

Galactic Habitable Zone

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Galactic Habitable Zone

Defined by PGHZ

• proportional to the star formation rate

• conditions for forming rock planets

• typical long evolutive biological times

• survival to violent galactic events (e.g. SNe)

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HABITABLE ZONE (68% e 95%)

Lineweaver et al., Science, 303, 59 (2004)

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Probability of Forming Rock Planets

• Probability of destroying Earths (parameter ZDE)

• Probability of producing Earths (parameter ZPE)

• Probability of harboring Earths (PHE=Pmetals)

•Highly Sensitive to the Metallicity* Z *Metals= for astrophysics every element heavier than He

Defined by Pmetals

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Probability of Evolution over Biological Timescales

Defined by Pevol

• Darwin’s Theory requires long timescales

• Pevol depends on tevol

• For Earth tevol = 4 Gyr

• tevol could be shorter than 4 Gyr?

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Probability of Survival to Galactic Violent Events

Defined by PSN

• Normalization to Earth?

• Pevol depends on past evens through tSN

• For Earth, tSN = tevol = 4 Gyr

• Again, tSN could be shorter than 4 Gyr

• Other Killers: GRBs, GMCs, AGNi

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Extinction/Innovationof Life on Earth

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How frequent are biophilic environments in galaxies?

Estimating through PGHZ

• comparing several galaxy types

• Spirals (disks) and Ellipticals (spheroids)

• Evaluated at several radii.

• Influence of AGNi ?

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Star formation rate

Infall rate (thin disk)

Disk Model

Multi-Zone Double Infall Chemical Model

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Galactic Habitable Zone

–Earth-Centered Case

Defined by PGHZ

• Pmetals: ZDE=0.3 ZDE=-1.0

• Pev: tev=4Gyr

• PSN: tSN=4Gyr PSN(2 Nsun)=0.5

•normalized to the Sun (r=8 kpc, t=13 Gyr)

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Spheroid (Elliptical Galaxy)The Chemodynamical Model

• Multi-zone chemical evolution solver

+ hydrodynamical code

• Chemodynamical approach chemical evolution of the gas

+ dynamical state of the gas (inflow/outflow) star formation history even after galactic winds spatial variations in age and metallicity

• Bright Ellipical Galaxy

2 1011 Msun

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Perspectives for Lifein an Extragalactic Setting

• Disks seem to be biophilic environments • In spheroids, conditions are too harsh or too

barren• In elliptical galaxies, the central regions could be

biophilic• Care should be taken against to be too earth-

centered• The inner regions of the Galaxy (between the solar

radius and 2 kpc) are biophilic

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Planetary Habitability

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Stellar habitable zone

R

Main assumptions: Surface H2O for ~ Gyear, geological activity, CO2-H2O-N2 atmosphere, B-field, climate stability, resistance to catastrophes for ~ Gyear

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Reasons for habitability on Earth1) Liquid water allowed microbes to originate and evolve

2) Moon prevents against chaos in Earth´s rotation axis

3) Plate tectonics replenishes CO2 for life to persist

4) A magnetic field protects from solar wind

5) Evolution of the Atmosphere➔ Microbes made O

2, CH

4 CH

4 then O

2 dominated

➔ Ozone layer formed at ~ 2.3 Gy➔ Simple algae, fungi developed

➔ More O2 and animals at 0.6 Gy

➔ Modern humans at 2 My (1/3 of the O2 goes to the brain)

➔ Mankind returns CO2 and increases the greenhouse effect

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