Orienteringskurs Astrobiologi Del 3

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

B68 dark cloud in a visible light (left) and IR absorption Molekulära moln 10 % av stjärnmassa i Vintergåtan Mörka moln Diffusa moln - mörka i synligt ljus - genomskinlig i infraröd - ljus från bakomliggande stjärnor synligt B68 dark cloud in a visible light (left) and IR absorption Rosette nebula

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

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)

Egenskaper av mörka moln - Massa ~ 5  105 M - Radius 120 pc - Partikel täthet 100 – 106 cm-3 103 gånger tunnare an det bästa vakuumet på jurden utvecklingstid 4  106 yr Horsehead Nebula (Ori)

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

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)

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

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

Cosmisk 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)

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

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]

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

Molekyler i mörka moln

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.

Också: Reaktion 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 Viktigast molekyl efter H2

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

Isbildning i mörka moln - Silikatkärna från stjärnutflöde - Polar skikt av H2O m. m. Bildas genom utfrysning vid högre T - vid låga T fryser också CO ut - Apolar is bildas på polar is - Senare kemiska processer genom fotoner

Strukture av mörka moln är inte homogena ! Shaw, 2006

Stjärnbildande regioner i OMC-1

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

Mörka kärnor - kallare än molnen kring den - KAN hysa stjärn- bildning Mörka kärnor i Örnnebulosan

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)

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

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

Kemisk utveckling kring unga stjärnobjekter

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.

Accretionsdisk i solliknande stjärnor Från meteoriter: Informationer 4567 miljoner år tillbaka: Rester av mörka molnet som kollaberade - Akkretionsdisk bildades, tynga metaller och korn koncentrerades i centern (kräver 1 miljon år) - Temperaturen är högre i centern - Planetesimaler (sma kroppar) växer först genom collisioner, sedan genom tyngkraft (efter 1 km radius) - vid 1000 km radius blire planeter runda - Snölinjen (vatten fryser ut på kroppar) på 5 AU (1 AU ~ 150 million km or 1.5• 1011 m) - planetdisken försvinner efter 7 miljoner år

Accretionsdisk (artist’s impression)

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 - Bombardmången levererade viktiga molekyler (ungefär 35 % från jordens vatten)

Bildning av jorden - Bara möjlig vid andragenerationsstjärnor (tynga element) - Vid samma tid som resten av solsystemet - Vid 700-1500 K akkretion av jorden (CO2, CO, H2O) eller gasar - Först jorden täckt av magmahav inga volatila ämnen (kom med kometer) - Vid kylning bildning av första atmosferen (sammmansättning mycket omstridd) - Regn började när temp föll till ~200°C (1000 gånger högre tryck) Hav bildades - Hög vulkanaktivitet, vulkanöar bildades - CO2 konsumeras genom carbonatbildning (kalk, magnesit)

Magmahav (artist’s impression)

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

Asteroidbälte

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

Kometer Komet 81/P Wild2

Oort moln

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

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

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

Bärare av livets byggstenar - mikrometeoriter Levererar samma material som kometer och asteroider Inte så mycket kunskap om dem Hälften av dem flyter ganska oförstörda till jorden (bra molekylbärare) kommer fortfarande till jorden ~1 per m2 dagligen

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

Olika typer av stjärnor - Linjer relatera till konstant stjärnradius (I solrader) - Hertzsprung-Russel Diagram

Biologiskt Hertzsprung Russell diagram Blå - för het Röd - “tidal locking” Grå - för kortlivad Grön - Livets ellips och triangel

Tidal locking Utesluter inte per se liv