Orienteringskurs Astrobiologi Del 3

1. Orienteringskurs Astrobiologi Del 3

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 Diffusa moln - mörka i synligt ljus - genomskinlig i infrarött ljus - 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 (Av) ~ 1 emissionslinjer för svaga att observeras Genomskinliga moln (Av) ~ 2 - 5 Emission och absorp- tionslinjer kan observeras Mellan mörka och diffusa moln Moln på höga galaktiska breddgrader (Av) ~ 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 ~ 5  105M • - Radius 120 pc • - Partikel täthet 100 – 106 cm-3 • (103 gånger tunnare an det • bästa vakuumet på jorden) • utvecklingstid 4  106 yr Horsehead Nebula (Ori)

8. Molekyler i mörka moln -Dominerande species H2. -Skyddad från UV ljus - Rik kemi, molekyler med langa kolkedjor bidas Hur går det till ?

9. Bildning av H2 Gasfasprocesses er som händer efter Big Bang kan inte förklara H2 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 Överlapp Knopyta

11. Kemi i mörka moln - Hur börjar den ? H2 + cr  H2+ Hastighet (z) = 10-17 s-1 i mörka moln, Tidsskala flera 100000 år H2 + H2+ H3+ + H k = 2  10-9 cm3s-1 (tidsskala några månader, Theard & Huntress, 1974) Cosmiska strålar: 87 % protoner (H+) 12 % a partiklar (He2+) 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 H3+ + O  OH+ + H2 k = 8.4  10-10 cm3s-1 (Milligan & McEwan, 2000) H2+ + O  OH+ + H(mindre viktig) OH+ + H2 H2O+ + H k = 1.1  10-9 cm3s-1 (Jones, Birkinshaw & Twiddy, 1981) H2O+ + H2 H3O+ + H k = 5.9  10-9 cm3s-1 (Anicich et al, 1974) Successiv väteaddition: k är ett mått för reaktionshastighet: d[OH+]/dt = k [H3+][O]

15. Dissociativ rekombination: H3O+ + e- H2O + H (25 %) OH + 2H (60 %) OH + H2(14 %) OH + H2 + H ( 1 %) (Jensen et al., 2000) Alternativ mekanism OH + H2  H2O + H kräver aktiveringsenergi  inefficient vid 10K

16. Molekyler i mörka moln

17. Molekyler i mörka moln - 130 molekyler - Många radikaler - ~ 65 - 100 organiska molekyler (CH, CHO, CHN) - Små molekyler mest vanliga - H, C, O, N, S dominerar, “äkta” metallförbindelser rara - Första “socker” (glycolalehyd, HCCH2CHO) närvarande - Detektion av den enklaste aminosyran (glycin) ifrågasätts.

18. Också: Reaktioner på kornytor: O + H  OH OH + H H2O H2O 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 H2

19. Möjlig förklaring: • i kalla områden fryser vattnet ut på korn • i ljusare områden fotodesorption • vid molnytan fotolysis av H2O: • H2O + hn H + OH

20. Isbildning i mörka moln - Silikatkärna från stjärn- och supernovautflöde -Skikt av H2O 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. Struktur av mörka moln är inte homogena ! 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 stjärn- bildning 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 • Frånmeteoriter: Informationerfrån 4567 miljonerårtillbaka: • Resteravmörkamolnetsomsammanbröt • - Akkretionsdiskbildades, tyngametallerochkorn • koncentreradesicentern (kräver 1 miljonår) • - Temperaturenärhögreicentern • - Planetesimaler (smakroppar) växerförstgenomkollisioner, • sedan genomtyngkraft (efter 1 km radius) • - vid 1000 km radius blirplaneternarunda • - Snölinjen (vattenfryserutpåkroppar) på 5 AU • (1 AU ~ 150 million km or 1.5• 1011 m) • planetdiskenförsvinnerefter 7 miljonerår – blåsasbortav • solvindenochstrålningstrycket

31. Accretionsdisk (artist’s impression)

32. Bildning av planeter • - Storagasplaneterbildasiyttreregioner, stenplaneteri • inreregioner • - Gravitationsfältfrånjåtteplanetersopadeasterioderochkometer • delvisbort • Inreplaneterbombarderadesintensivtförkortaperioder • “Late Heavy Bombardment” • - Jupiter och Saturn komitakt (omloppstidförhållande 2:5) • - Bombningenlevereradeviktigamolekyler (ungefär 35 % från • jordensvatten)

33. Bildning av jorden • Bara möjlig vid andra- ochtredjegenerationsstjärnor • (tynga element) • - Vid sammatidsomrestenavsolsystemet • - Vid 700-1500 K akkretionavjorden (CO2, CO, H2O) ellergasar • Förstjordentäcktavmagmahav - ingavolatilaämnennärvarande • (komtroligen med kometer) • - Vid kylningbildningavförstaatmosfären • (sammmansättningmycketomstridd) • - Regnbörjadenär temp föll till ~200°C (1000 gångerhögretryck) • Havbildades • - Högvulkanaktivitet, vulkanöarbildades • - CO2konsumerasgenomcarbonatbildning (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 • Kometer bildades bakom snölinjen, består av is, sand och • oxider • Innehåller betydande mängder H2O, C2O, och andra substanser i deras is, ofta samma molekyler som i interstellära moln. • Kunde har medfört H2O • för hav och NH3 för • bildning av N2 i luften. • Den häftigaste asteroid- • och 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 155.76 x 10-6 - 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) • Achondriter • mestadels från månen eller Mars • Kondriter • innehåller kondruler (små kroppar • av smältad material som kristalli- • seras) Kondrit Struktur av en kondrit med kondruler

42. Biomolekyler från meteoriter ? Några aminosyror hittades i Murchison meteorite Problem: Det kan ifrågasättas om biomole- kyler 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 m2 dagligen

44. Element Bakterier Däggdjur ISM Kometer H 63 62 55 56 O 29 26 30 31 C 6 10 13 10 N 1 2 1 3 S <1 <1 1 <1 P <1 <1 0 0 Är vi alla kometskräp ? ISM = interstellär medium