Evolução da complexidadeno universo -II

AGA 0316 -2012

Um Universo Biofílico

Martin ReesOur Cosmic Habitat

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.

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

MAS,OUTRAS COMBINAÇÕES DAS

CONSTANTES FUNDAMENTAIS PODEM

SER PROPICIAS PARA O

APARECIMENTO DE VIDA:

O Universo tem galáxias

O Universo tem aglomerados de galáxias

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

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

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

O Dilema da vida: se encaixar entre dois

extremos:

Esterilidade vs. “Violência”

Um Universo com Galáxias

Galáxias enquanto aceleradoras da complexificação do Universo

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

Galaxies and BiophilyExtensive view

Galactic Habitable Zone

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)

Probability of Forming Rocky Planets

• Probability of “destroying” Earths (parameter ZDE)

• Probability of producing Earths (parameter ZPE)

• Probability of harboring Earths (PHE=Pmetals)

•Rather Sensitive to the Metallicity* Z *Metals= for astrophysics every element heavier than He

Defined by Pmetals

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?

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)

“Matadores galáticos”:

GRBs, GMCs, AGNi, BHs

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 ?

Star formation rate

Infall rate (thin disk)

Disk Model for our Galaxy

Multi-Zone Double Infall Chemical Model

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)

Galáxia elíptica

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

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!!!

GALACTIC HABITABLE ZONE (68% e 95%)

Lineweaver et al., Science, 303, 59 (2004)

Galaxies and BiophilyIntensive view

Galaxies as laboratories of complex chemistry

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

Evolução gas – estrelas numa galáxia

Espectro de galaxia eliptica jovem

V

IV

Spitzer Space Telescope

► Descobriu que existem PAHs em todo o Universo

Especies de PAH

LINEAR

BIFENILPERICONDENSADO

PAH (PANH) WORLD

H

C

N

Recent detection of a PANH in the IRHudgins et al. ApJ, 2005

• 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.

Caffeine

Generalized PANH Species

Detecting PANHs through the 6.2 line

From theRNA Worldto theAromatic World

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 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!!!

QUESTÕES SOBRE AS AULAS 5 e 6

1)Porque se diz que nosso universo é “biofílico”?

2)Como são produzidos os elementos químicos no Universo, do Carbono para a frente?

3)O que é a Zona Habitável galática e de que ela depende?

4)Qual a importância dos PAHs/PANHs?