Evolu ção da complexidade no universo -II

1. Evolução da complexidadeno universo -II AGA 0316 -2012

2. Martin ReesOur Cosmic Habitat Um Universo Biofílico Um universo adequado à vida – o que podemos chamar de um universo biofílico – tem que ser muito especial de diversos modos. Os pré-requisitos para ele: – estrelas de vida longa, uma tabela periódica de elementos com química complexa etc. – são sensíveis às leis físicas e não poderiam ter emergido de um Big Bang com uma receita que fosse mesmo ligeiramente diferente.

3. 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 nêutrons 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

4. MAS, OUTRAS COMBINAÇÕES DAS CONSTANTES FUNDAMENTAIS PODEM SER PROPICIAS PARA O APARECIMENTO DE VIDA:

5. O Universo tem galáxias

6. O Universo tem aglomerados de galáxias

7. APENAS SEIS NÚMEROS(N e ) • N = 1036, a razão da força eletromagnética para a força gravitacional entre dois prótons. surgem estrelas •  = 0.007, medida da intensidade da energia de ligação entre os nêutrons e prótons dentro do núcleo atômico.  as reações nucleares produzem carbono e permitem que sobre H

8. APENAS SEIS NÚMEROS(Q) • Q = 1/100 000, medida da profundidade média das flutuações de densidade do Universo surgem galáxias surgem aglomerados de galáxiasos aglomerados de galáxias são as maiores estruturas “relaxadas” do Universo atual • Profundidade típica de um aglomerado de galáxias:vagl ~ 1000 km/s • Definição de Q:Q=(vagl /c)2, ondec = velocidade da luz = 300 000 km/s Q ~ 10-5

9. Sintonia Fina de Q • Q significativamente menor que 1/100 000: O gás nunca se condensaria em estruturas ligadas  O material enriquecido em elementos pesados pelas estrelas ficaria disperso no espaço e não permitiria uma evolução química posterior, com uma sequência de gerações estelares  O Universo seria um local estéril • Q significativamente maior que 1/100 000: Regiões muito maiores do que aglomerados de galáxias se formariam muito cedo na história do Universo Não se fragmentariam em estrelas, mas formariam vastos buracos negros O gás remanescente seria aquecido a temperaturas tais que emitiria raios-X e raios gama O material enriquecido em elementos pesados pelas estrelas seria aprisionado nos buracos negros  O Universo seria extremamente violento

10. O Dilema da vida: se encaixar entre dois extremos: Esterilidade vs. “Violência”

11. Um Universo com Galáxias Galáxias enquanto aceleradoras da complexificação do Universo

13. 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

14. Galaxies and BiophilyExtensive view Galactic Habitable Zone

15. Galactic Habitable Zone • Defined by PGHZ • proportional to the star formation rate • conditions for forming rocky planets • typical long evolutionary biological times • survival to violent galactic events (e.g. SNe)

16. Probability of Forming Rocky Planets Defined by Pmetals • Rather Sensitive to the Metallicity* Z *Metals= for astrophysics every element heavier than He • Probability of “destroying” Earths (parameter ZDE) • Probability of producing Earths (parameter ZPE) • Probability of harboring Earths (PHE=Pmetals)

17. 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?

18. 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 (BHs) ( Gamma Ray Bursts, Giant Molecular Clouds, Active Galactic Nuclei)

19. “Matadores galáticos”: GRBs, GMCs, AGNi, BHs

20. 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 ?

21. Disk Model for our Galaxy Multi-Zone Double Infall Chemical Model Star formation rate Infall rate (thin disk)

23. 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)

25. Galáxia elíptica

26. 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

28. Habitabilidade em Galáxias • Discos parecem ser os ambientes mais hospitaleiros (Sorte nossa!) • Em Esferóides, as condições são ou muito violentas ou muito estéreis. • Em galáxias elítipticas, as regiões centrais apresentam alguma habitabilidade • As regiões internas da Via Láctea (entre o raio solar e 4 kpc) são as mais hospitaleiras à vida. • Cuidado com considerações sobre habitabilidade com excessivo Centramento-na-Terra!!!

29. Lineweaver et al., Science, 303, 59 (2004) GALACTIC HABITABLE ZONE (68% e 95%)

30. Galaxies and BiophilyIntensive view Galaxies as laboratories of complex chemistry

31. 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

32. Evolução gas – estrelas numa galáxia

33. Espectro de galaxia eliptica jovem V IV

34. Spitzer Space Telescope ► Descobriu que existem PAHs em todo o Universo

35. Especies de PAH LINEAR BIFENIL PERICONDENSADO

36. PAH (PANH) WORLD

37. Recent detection of a PANH in the IRHudgins et al. ApJ, 2005 H • 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. N C Caffeine

38. Generalized PANH Species

40. Detecting PANHs through the 6.2 line

41. From theRNA Worldto theAromatic World

42. Existe vida além do DNA? • A química dos CHONs admite várias possibilidades • Qual a forma de vida mais simples? • “Um sistema molecular pode ser considerado vivo se ele transforma recursos em blocos constitutivos, replica-se e evolui” (Ehrenfreund al. 2006) • Transição moléculas-vida Þ duas questões: 1) Como blocos constitutivos pré-bióticos podem formar containers, redes metabólicas e polímeros informacionais? 2) Como esses três componentes se organizam cooperativamente para formar uma protocélula que possa ser considerada viva? • De um modo amplo, um sistema vivo é caracterizado pela capacidade de auto-organização complexa e de complexificação posterior por evolução Darwiniana • Cuidado com definições muito estritas da vida!!!

43. QUESTÕES SOBRE AS AULAS 5 e 6 • Porque se diz que nosso universo é “biofílico”? • Como são produzidos os elementos químicos no Universo, do Carbono para a frente? • O que é a Zona Habitável galática e de que ela depende? • Qual a importância dos PAHs/PANHs?