Orienteringskurs. Astrobiologi. Del 3

Transkript

1 Orienteringskurs Astrobiologi Del 3

2

3 Bildning av interstellära moln - Supernovor och planetnebulae emitterar materie (korn och gas) till rymden - bildar interstellära moln genom tyngdkraft

4 Molekulära moln 10 % av stjärnmassa i Vintergåtan Mörka moln - mörka i synligt ljus - genomskinlig i infrarött ljus Diffusa moln - ljus från bakomliggande stjärnor synligt Mörka molnet B68 I synligt ljus (vänster) och infrarött ljus Rosette nebulosa

5 Mörka moln - först upptäckt av Herschel ( hål i himmeln ) - släcker ljus från stjärnor bakom - polariserar ljus (partiklar utrikter sig efter det svaga galaktiska magnetfältet) - gör rödskift i stjärnljus genom ströjning Emu på himmeln

6 Typer av diffusa moln Klassiska diffusa moln Opacitet (A v ) ~ 1 emissionslinjer för svaga att observeras Genomskinliga moln (A v ) ~ 2-5 Emission och absorptionslinjer kan observeras Mellan mörka och diffusa moln Moln på höga galaktiska breddgrader (A v ) ~ 1 Instrålning bara från en sida Opacitet: hur många magnituder ljuset av en ljuskälla försvagas genom att passera genom molnen (logaritmisk skala)

7 Egenskaper av mörka moln - Massa ~ M - Radius 120 pc - Partikel täthet cm -3 (10 3 gånger tunnare an det bästa vakuumet på jorden) - utvecklingstid yr Horsehead Nebula (Ori)

8 Molekyler i mörka moln - Dominerande species H 2. - Skyddad från UV ljus - Rik kemi, molekyler med langa kolkedjor bidas Hur går det till?

9 Bildning av H 2 Gasfasprocesses er som händer efter Big Bang kan inte förklara H 2 bildning i mörka moln händer på kornytor Eley-Rideal (möjlig vid varje T) Grain surface Hot-atom (vid låg T) Langmuir-Hinshelwood: fastning, diffusion, reaktion (atomer måste vara mobila)

10 På högre temperaturer binder väteatomer kemisk till grafit innan de kombineras Elektrontäthet mäts med yttunnelmikroskop Knopyta Överlapp

11 Kemi i mörka moln - Hur börjar den? H 2 + cr H 2 + Hastighet (z) = s -1 i mörka moln, Tidsskala flera år H 2 + H 2 + H H k = cm 3 s -1 (tidsskala några månader, Theard & Huntress, 1974) Cosmiska strålar: 87 % protoner (H + ) 12 % a partiklar (He 2+ ) Rest: g-strålning, myoner, elektroner Viktor Franz Hess

12 Kosmisk strålning - existens av joniserande strålning känd (troddes att härstämmar från hjordens radioaktivitet eller från solen) - ökar med höjden (kan inte kommer från jorden) - försvagas inte under solförmörkelsen Ballongflyg av Viktor Franz Hess från Aspern (Wien)

13 Viktiga reaktioner i mörka moln Reaktioner mellan neutralmolekyler? - kräver aktiveringsenergi - omöjliga vid låga T Reaktioner med radikaler (molekyler med icke- parade Elektroner) - ingen aktiveringsenergi, möjliga vid låga T Reaktioner med joner (elektrisk laddade molekyler) - mestadels ingen aktiveringsenergi

14 Exempel: Bildning av vatten i mörka moln H O OH + + H 2 k = cm 3 s -1 (Milligan & McEwan, 2000) Successiv väteaddition: H O OH + + H (mindre viktig) OH + + H 2 H 2 O + + H k = cm 3 s -1 (Jones, Birkinshaw & Twiddy, 1981) H 2 O + + H 2 H 3 O + + H k = cm 3 s -1 (Anicich et al, 1974) k är ett mått för reaktionshastighet: d[oh + ]/dt = k [H 3+ ][O]

15 Dissociativ rekombination: H 3 O + + e - H 2 O + H (25 %) OH + 2H (60 %) OH + H 2 (14 %) OH + H 2 + H ( 1 %) (Jensen et al., 2000) Alternativ mekanism OH + H 2 H 2 O + H kräver aktiveringsenergi inefficient vid 10K

16 Molekyler i mörka moln 2 atomer 3 atomer 4 atomer 5 atomer 6 atomer 7 atomer 8+ atom AlF PN C 3 OCS c-c 3 H C 5 C 5 H C 6 H CH 3 C 3 N AlCl SO C 2 H SO 2 l-c 3 H C 4 H C 5 O CH 2 CHCN HCOOCH 3 C 2 SO + C 2 O c-sic 2 C 3 N C 4 Si C 2 H 4 CH 3 C 2 H CH 3 COOH CH SiN C 2 S CO 2 C 3 O l-c 3 H 2 CH 3 CN HC 5 N C 7 H CH + SiO CH 2 NH 2 C 3 S c-c 3 H 2 CH 3 NC HCOCH 3 H 2 C 6 CN SiS HCN + H 3 C 2 H 2 CH 2 CN CH 3 OH NH 2 CH 3 CH 2 OHCHO CO HF HCO CH 2 D + CH 4 CH 3 SH c-c 2 H4O CH 2 CHCHO CO + SH HCO + HCCN HC 3 N HC 3 NH + CH 2 CHOH CH 3 C 4 H CP FeO HCS + HCNH + HC 2 NC HC 2 CHO C 6 H - CH 3 CH 2 CN CS HOC + HNCO HCOOH HCONH 2 (CH 3 ) 2 O CSi H 2 O HNCS H 2 CHN l-h 2 C 4 CH 3 CH 2 OH HCl H 2 S HOCO + H 2 C 2 O C 5 N HC 7 N H 2 HNC H 2 CO H 2 NCN C 5 N - C 8 H KCl HNO H 2 CN HNC 3 CH 3 C 5 N NH MgCN H 2 CS SiH4 (CH 3 ) 2 CO NO MgNC H 3 O + H 2 COH + NH 2 CH 2 COOH NS N 2 H + NH 3 C 4 H - C 3 H 5 CHO NaCl N 2 O C 3 N - HC 9 N OH NaCN HC 11 N C 8 H -

17 Molekyler i mörka moln molekyler - Många radikaler - ~ organiska molekyler (CH, CHO, CHN) - Små molekyler mest vanliga - H, C, O, N, S dominerar, äkta metallförbindelser rara - Första socker (glycolalehyd, HCCH 2 CHO) närvarande - Detektion av den enklaste aminosyran (glycin) ifrågasätts.

18 Också: Reaktioner på kornytor: O + H OH OH + H H 2 O H 2 O på korn kan desorberas av fotoner Men: In mörka moln hittar man mycket mindre vatten än förutspått av modeller (en faktor av 1000) I diffusa moln bättre överensstämmelse OH bilder också CO med H: OH + C CO + H Viktigaste molekylen efter H 2

19 Möjlig förklaring: - i kalla områden fryser vattnet ut på korn - i ljusare områden fotodesorption - vid molnytan fotolysis av H 2 O: H 2 O + hn H + OH

20 Isbildning i mörka moln - Silikatkärna från stjärn- och supernovautflöde - Skikt av H 2 O m. m. Bildas genom utfrysning vid högre T - vid låga T fryser också CO ut - CO-dominerad is bildas på vattendominerad is - Senare kemiska processer genom fotoner

21 är inte homogena! Struktur av mörka moln Shaw, 2006

22 Stjärnbildande regioner i OMC-1

23 Faser av stjärnbildning - bildning av mörka kärnor - molekyler på isen ångar av - utveckling af unga stjärnobjekter (YSOs) - bildning av protoplanetära skiva - färdigställning av planetsytem

24 Mörka kärnor - kallare än molnen kring den - KAN hysa stjärnbildning Mörka kärnor i Örnnebulosan

25 Andra stjärnbildande regioner - Bok globuli - mörka stjärnbildande regioner i fotondominerade regioner - 1 ljusår diameter, 5-10 M, T= 3K, kallaste objekter i rymden Christmas tree Bok Globule (NGC 2264)

26 Clemens-Barvainis (CB) objekter - små Bok-globule-lika objekter - närheten till solen tillåter att bestämma deras storlek Some CB objects in IR

27 Protoplanetära skivor i Orionnebula - icke-genomskinliga även för UV - mörk skiva före ljus IR-bakgrund

28 Kornuppvärmning i stjärnbildande regioner - genom kollisioner av molekyler i korn - genom absorption av IR fotoner. - sublimering av molekyler leder till rik kemi - ibland tätheter av molekyler en faktor 100 högre än i mörka moln.

29 Kemisk utveckling kring unga stjärnobjekter

30 Akkretionsdisk i solliknande stjärnor - Från meteoriter: Informationer från 4567 miljoner år tillbaka: Rester av mörka molnet som sammanbröt - Akkretionsdisk bildades, tynga metaller och korn koncentrerades i centern (kräver 1 miljon år) - Temperaturen är högre i centern - Planetesimaler (sma kroppar) växer först genom kollisioner, sedan genom tyngkraft (efter 1 km radius) - vid 1000 km radius blir planeterna runda - Snölinjen (vatten fryser ut på kroppar) på 5 AU (1 AU ~ 150 million km or m) - planetdisken försvinner efter 7 miljoner år blåsas bort av solvinden och strålningstrycket

31 Accretionsdisk (artist s impression)

32 Bildning av planeter - Stora gasplaneter bildas i yttre regioner, stenplaneter i inre regioner - Gravitationsfält från jåtteplaneter sopade asterioder och kometer delvis bort - Inre planeter bombarderades intensivt för korta perioder Late Heavy Bombardment - Jupiter och Saturn kom i takt (omloppstidförhållande 2:5) - Bombningen levererade viktiga molekyler (ungefär 35 % från jordens vatten)

33 Bildning av jorden - Bara möjlig vid andra- och tredjegenerationsstjärnor (tynga element) - Vid samma tid som resten av solsystemet - Vid K akkretion av jorden (CO 2, CO, H 2 O) eller gasar - Först jorden täckt av magmahav - inga volatila ämnen närvarande (kom troligen med kometer) - Vid kylning bildning av första atmosfären (sammmansättning mycket omstridd) - Regn började när temp föll till ~200 C (1000 gånger högre tryck) Hav bildades - Hög vulkanaktivitet, vulkanöar bildades - CO 2 konsumeras genom carbonatbildning (kalk, magnesit)

34 Magmahav (artist s impression)

35 Bärare av livets byggstenar - asteroider Bildas innanför snölinjen Medförde silikater, järn, nickel Också kol (upp till 4%) och vatten (upp till 20%) Stora asteroidinslag kan förånga hav Största asteroid, Ceres, förefåller olik och innehåller mycket vatten failed planetesimal? Ceres

36 Asteroidbälte

37 Kometer bildades bakom snölinjen, består av is, sand och oxider Kometer Innehåller betydande mängder H 2 O, C 2 O, och andra substanser i deras is, ofta samma molekyler som i interstellära moln. Kunde har medfört H 2 O för hav och NH 3 för bildning av N 2 i luften. Den häftigaste asteroidoch kometbombardering ägde rum för 800 miljoner år (Late Heavy Bombardment - LHB). Komet Hyakutake

38 Kometer Komet 81/P Wild2

39 Oort moln

40 Kommer jordens vatten från kometerna? - På jorden råder en D/H förhållande av x På Mars en faktor 4 och på Venus en faktor 165 högre - Halley och Hyakutake hade 2 gånger högre D/H än jorden - På andra kometer lägre förhållande hittad - möjligtvis motsvarar D/H på ytan inte den i kärnan

41 Meteoriter Olika typer Järnmeteoriter (enda form av ren järn på jorden, Fe, Ni) Stenmeteoriter (två grupper) Kondrit Achondriter mestadels från månen eller Mars Kondriter innehåller kondruler (små kroppar av smältad material som kristalliseras) Struktur av en kondrit med kondruler

42 Biomolekyler från meteoriter? Några aminosyror hittades i Murchison meteorite Problem: Det kan ifrågasättas om biomolekyler kan överlever UV strålningen under planetsystembildning (Ehrenfreund, 2006) Fragment av Murchison metorit Murchison

43 Bärare av livets byggstenar - mikrometeoriter Levererar samma material som kometer och asteroider Inte så mycket kunskap om dem Hälften av dem svävar ned ganska oförstörda till jorden (bra molekylbärare) kommer fortfarande till jorden ~1 per m 2 dagligen

44 Är vi alla kometskräp? Element Bakterier Däggdjur ISM Kometer H O C N S <1 <1 1 <1 P <1 <1 0 0 ISM = interstellär medium