Planetologia Extrasolare

Zone Abitabili ed abitabilita’

R.U. Claudi

Linee generali di evoluzione della vita

H,C,N,O,S,P…

CH4,CO2,CO,H2O,H2S,N2,NH3,H3PO4

Biomonomeri, amminoacidi,zucheri,

basi

Biopolimeri, proteine, acidi nucleici

1° sistema viv.

Microfossili precambriani

oggi

Evoluzione chimica

Evoluzione Biologica

Composizione chimica degli organismi viventi

Metallicità ed AbitabilitàEsiste un limite inferiore di metallicità, al di sotto del quale non si hanno elementi pesanti sufficienti per formare pianeti di tipo terrestre?

[Fe/H] ~ - 0.3

1. Massa totale pianeti terrestri scala linearmente con [Fe/H]

2. Massa pianeti terrestri sistema Solare tipica

3. 1M massa minima per pianeta abitabile

Turnbull, 2003

Requisiti di Abitabilità

1. Presenza di elementi pesanti

2. Disponibilità di Acqua (HZ..ma non solo)

3. Tempo scala di abitabilità lungo (stabilità)

Storia del concetto di zona abitabile

1959-1960

1964

1966

1970

1978

1988

1991

1992

Huang Zona abitabile:come la zona intorno ad una stella in cui può esistere un pianeta abitabile

Dole

Skhlovski & Sagan

Ecosfera: zona intorno ad una stella entro cui su un pianeta almeno il 10% della superficie ha una Temperatura compresa tra i –10 e 30 C

Rasool & DeBergh

Hart

Kasting

Whitmire

Zona abitabile:come la zona intorno ad una stella in cui può esistere un pianeta sulla cui superfice si abbia acqua liquida

FoggZona Biocompatibile:come la zona intorno ad una stella in cui può esistere un pianeta sulla cui superfice si abbia acqua liquida e Zona Abitabile quella compresa entro cui sia possibile la vita umana

Definizioni:

•Zona Abitabile (HZ) – è la regione intorno ad una stella in cui un pianeta di tipo terrestre può mantenere, in qualche istante di tempo, l’acqua allo stato liquido.

•Zona continuamente abitabile (CHZ) – la regione in cui un pianeta può rimanere abitabile per uno specifico periodo di tempo (per esempio 4.6 Gy)

Limiti della zona abitabile: Calcolo ingenuo

Sole Venere Terra Marte

0.7 UA 2.0 UA0.96 UA

Tp=280 K

Tp~400 K Tp=270 K

I Calcoli di M. Hart (Icarus, 1978, 1979)

•La CHZ(4.6 Gyr) intorno al Sole è relativamente stretta

–0.95 UA: Runaway greenhouse (effetto serra autoalimentato)

–1.01 UA: Runaway glaciation (Glaciazione autoalimentata)

•Le CHZ intorno alle altre stelle sono perfino più strette

–Corollario: la terra potrebbe essere il solo pianeta abitabile nella nostra galassia

Hart è stato il primo a considerare l’evoluzione delSole nel calcolo della zona (CHZ)

Effetto SerraTeff=5770 Molecola di CO2

Vibrazioni e rotazione

C

O

ORadiazione visibile a 500 nm

Radiazione infrarossa a 100 m

Superfice planetaria a Teff=293 K (20 C)

Glaciazione irreversibile

Superfice planetaria

Sole Luce riflessa

Ghiaccio

Rocce

Oceani

Nuvole

Ghiaccio

15%

4%

52%

70%

Albedo

Hart 1978

Stabilizzazione del Clima: ciclo Carbonio Silicati

SUBDUZIONE

METAMORFISMO

(-)

temperaturaSuperficiale

Pioggia

Tasso di Weathering

de silicati

CO2

Atmosfericoeffetto serra

Loop a Feedback Negativo

Runaway greenhouse Effect: Effetto Serra autoalimentato

Aumento della temperatura superficiale del pianeta non controbilanciato da una diminuzione dei gas serra in atmosfera.

Innalzamento della quota dello strato invertente per il vapore acqueo

Raggiungimento del vapore acqueo degli strati alti dell’atmosfera e sua fotodissociazione

Diminuzione del livello di acqua nell’atmosfera

Riduzione dell’efficienza della relazione di “weathering” dei silicati

Aumento della anidride carbonica in atmosfera

Fotodissociazione dell’acqua

H è perso dall’atmosferaProduzione di O abiotico

I confini della zona abitabile

I modelli che calcolano questi limiti hanno due tipi di approccio:

Approccio conservativo: Assumono che CO2 e H2O siano i soli gas serra importanti

Approccio meno conservativo: Considerano anche il metano

•Confine interno: è determinato dalla perdita di acqua causata dall’effetto serra autoalimentato

•Confine esterno: dipende da quanto efficiente può essere l’effetto serra su un pianeta.

Seff=S/S0 a(UA)

Venere Recente 1.76 0.75

Runaway Greenhouse 1.41 0.84

Perdita di acqua 1.10 0.95

Prima condensazione CO2 0.53 1.37

Greenhouse massimo 0.36 1.67

Early Mars 0.32 1.77

I confini della zona abitabile per il Sole

Kasting etal. 1993, Icarus

J. F. Kasting, Icarus (1988)

Caso di Venere

Evoluzione dell’atmosfera terrestre ed effetti biologici

Glaciazione Uroniana Microorganismi fotosintetici che producono O2,

Ossidazione del CH4

Batteri MetanogeniMetabolismo:CO2 + 4 H2 CH4 + 2 H2O

Problema del Sole Giovane:S0~0.30Sattuale

Snowball EarthMa: Zirconi a 4.3 Gye 3.5Gy= evidenza Acqua Liquida

Soluzione:

Hart 1978

H. D. Holland (1994)

Indicatori Geologici di O2

Caso di Marte

Distante dal sole, per mantenere caldi CO2 e H2O avrebbe dovuto avere un forte effetto serra. Condensazione di questi gas al limite dell’atmosfera.

Entrambe soggetti alla fotodissociazione

Massa di marte 1/9 massa terrestre

Scarsa attività tettonica

Nessun rifornimento di CO2

Zone Continuamente AbitabiliRegione intorno ad una stella in

cui la zona di abitabilità è stabile contro:

1. Variazioni di luminosità della stella

causate dalla sua evoluzione

2. Instabilità dinamiche

3. Estinzioni di massa per cause

astronomiche

Limite temporale: ab~3 Gyr (Hart 1979, Henry et al. 1995)

Venere recenteRunaway greenhouse

Perdita di acqua

Cond. CO2

Maximum greenhouse

Early mars

Zone Abitabili Per le altre stelle

Interno: fotoionizzazione acqua, fuga H.

Esterno: CO2 nuvole, riflessione luce solare

I limiti delle zone abitabili intorno a stelle di tipo spettraleDiverso dal sole possono essere ricavati da:

Evoluzione veloce

Corrotazione

Teniamo presente che il contesto galattico ha importanza nella abitabilitàTeniamo presente che il contesto galattico ha importanza nella abitabilità

La zona abitabile galattica La zona abitabile galattica

•Requisiti di composizione per la formazione dei Requisiti di composizione per la formazione dei pianeti abitabili (metallicità)pianeti abitabili (metallicità)

•Scala galattica a confronto con la vita complessaScala galattica a confronto con la vita complessa

•Entrambe pongono dei limiti nello spazio e nel Entrambe pongono dei limiti nello spazio e nel tempo per l’esistenza dei paineti abitabilitempo per l’esistenza dei paineti abitabili

•La zona galattica di abitabilità ha limiti che possono La zona galattica di abitabilità ha limiti che possono variare a causa dello scatter di metallicità ad un variare a causa dello scatter di metallicità ad un dato periodo ed ad un dato tempo dato periodo ed ad un dato tempo

Guillermo Gonzalez 2002Guillermo Gonzalez 2002

Sopravvivenza della vita complessaSopravvivenza della vita complessa

•Eventi transienti: Supernovae, gamma ray Eventi transienti: Supernovae, gamma ray burst e outburst del nucleo galatticoburst e outburst del nucleo galattico

•Impatti di comete dovuti alla perturbazione Impatti di comete dovuti alla perturbazione della nube di Oort da stelle vicine, nubi della nube di Oort da stelle vicine, nubi molecolari giganti e effetti galattici di marea.molecolari giganti e effetti galattici di marea.

Evoluzione nel tempo del tasso di supernovae.

Timmes et al. (1995)

Data from Case and Bhattachrya (1998)

Variazione radiale di Supernovae

La zona Galattica Abitabile

Guillermo Gonzalez 2002

Conclusioni

•Le HZ e le CHZ intorno a stelle di tipo solare, sono relativamente grandi a causa delle conseguenze della stabilizzazione del clima dovuto al ciclo dei carbonati e silicati

•Le stelle che sono le migliori candidati all’abitabilità sono le stelle fra le classi spettrali F0 e K5.