Astronomie und Astrophysik III

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1 Astronomie und Astrophysik III 18.07.2007
Intelligentes Leben im Universum Von Dirk Baumann

2 2. Suche nach extraterrestrischem Leben 3. Habitable Zonen
1. Leben auf der Erde 2. Suche nach extraterrestrischem Leben 3. Habitable Zonen 4. Extraterrestrische Intelligenz 5. Literatur

3 1. Leben auf der Erde Was ist Leben? Kriterien für Leben?
Jedes Lebewesen bildet ein System Fähigkeit zur Selbstreproduktion 2. Selbstregulierender Stoffwechsel Bei allen Organismen Informationsträger Nukleinsäuren Funktionsträger Proteine Energieträger ATP

4 DNA Basenpaare: A – T (U) G – C Genetischer Code ist Triplett-Code

5 Voraussetzungen für Leben?
1. Biogene Elemente: C, H, O, N, S, P Schlüsselrolle des Kohlenstoffs (organische Chemie) 2. Vorkommen von flüssigem Wasser (aquatisches Umfeld) 3. Vorhandensein einer externen Energiequelle Für extraterrestrisches Leben ähnliche Voraussetzungen?

6 Evolution Phylogenetischer Stammbaum des Lebens

7 Phylogenetischer Stammbaum der Primaten

8 Entwicklung der Atmosphäre

9 Entwicklung des Sauerstoffgehalts in der Erdatmosphäre

10 2. Suche nach extraterrestrischem Leben
Mars Oberflächentemperaturen: -113°C – 0°C Atmosphäre: 95% CO2 , 3% N2 , 2% Ar bei 7 mbar Masse: etwa 1/10 ME Frühe Suche: Schiaparelli (1877) „canali“ Viking-Experimente (1976) Mars mit Polkappe (Hubble-Bild)

11 Oberlächenstrukturen
Topographie des Mars aufgenommen mit MOLA (Mars Global Surveyor 1999, NASA): Ozeanbecken? der N-Hemisphäre Valles Marineris (Mars Express 2003, ESA): Canyon 100 km breit und 7 km tief.

12 Wasser auf dem Mars Spuren von geflossenem Wasser (NASA)
Krater mit Wassereis (ESA) Flüssiges Wasser unter der Oberfläche?

13 Die frühe Mars-Atmosphäre
Oberflächentemperaturen in der frühen Atmosphäre von Erde und Mars (nach Sagan 1977) Falls Leben auf Mars entstanden, hätte es irreversible Vergletscherung nicht überlebt. Trotzdem nach frühen Lebensspuren suchen.

14 Mars-Meteorit ALH84001 ALH84001: kristallisiert vor 4-4,5 Ga auf Mars, vor 15 Ma durch Einschlag herausgeschleudert, vor a auf Erde gekommen, 1984 in Antarktis gefunden Elektronenmikroskop-Aufnahme 1996 mit fossilen Bakterien?

15 Europa Die Galileischen Jupiter-Monde Io Europa Ganymed Callisto
Galileo Spacecraft Mission (NASA) 1995 – 2003 35 Jupiter-Orbits viele nahe Vorbeiflüge an Europa

16 Europas Eiskruste mit Rissen („gesprungene Eierschale“).
(Galileo) Europas Eiskruste mit Rissen („gesprungene Eierschale“). Kaum Einschlagskrater – ein Indiz für geologisch junge Oberfläche.

17 Parallele Eisbänder könnten Spreizungszentren ähneln.
(Galileo) Parallele Eisbänder könnten Spreizungszentren ähneln. Chaos-Regionen durch aufsteigende Wärme („Matsch“).

18 Globaler Ozean unter Europas Eiskruste? Wärmequelle Gezeitenerwärmung
Mond wird durch variierende Gezeitenkräfte „geknetet“ 350 km dicke Wasserhülle größtenteils flüssig oder aus wärmerem Eis

19 Leben außerhalb des Sonnenssystems
Extrasolare Planeten Wie Leben entdecken? Indikatoren für biologische Prozesse? Infrarotspektrum Absorptionsbanden H2O 8 µm O2 0,76 µm im sichtbaren! aus Photosynthese O3 9,6 µm photochemisch aus O2 (CH4 ) 7,6 µm aus Bakterien, Kuhmägen, oxidiert schnell! (N2 O) aus Bakterien im Boden und im Ozean

20 Infrarotspektrum von Venus, Erde und Mars

21 3. Habitable Zonen Welche Bedingungen sind günstig für Leben?
Existieren solche geeigneten erdähnlichen Planeten? Habitable Zone (HZ): Region um einen Stern, in der Leben prinzipiell möglich ist. Kontinuierliche habitable Zone (CHZ): ununterbrochene Entwicklung von Leben möglich über Milliarden von Jahren. Habitabler Planet (erdähnlicher Planet): Planet in CHZ mit der richtigen Masse.

22 Solare habitable Zone Sonnensystem

23 Abschätzung der solaren HZ
Klimazonen der Erde mit Isothermen Variation des solaren Energieflusses mit der geographischen Breite Solarer Energiefluss S (Energie pro cm² pro sec) Lebenszone auf Erde: S variiert höchstens um Faktor 2

24 Gegankenexperiment: Abstand Erde-Sonne so verändern, dass
S höchstens um Faktor 2 variert Habitable Regionen (grau), arktische Regionen (weiß) und Wüstenregionen (schwarz) bei verschiedenen Abständen von der Sonne (Ulmschneider 2006) Solare HZ 0,7 — 1,4 AU erste Abschätzung Umlaufbahnen: Venus (0,723 AU) Mars (1,524 AU)

25 Lebensdauer der Sterne
Entscheidend ist Zeit auf der Hauptreihe (tabelliert). Leben auf Erde seit etwa 4 Ga, intelligentes Leben seit etwa 2,5 Ma. Stern muss etwa 5 Ga auf Hauptreihe bleiben, damit intelligentes Leben entstehen kann. Nur G, K, M kommen in Frage G-Sterne (Sonne G2V): ca. 12 Ga auf Hauptreihe

26 Habitable Zonen um andere Sterne
Nur Hauptreihensterne (V) kommen in Frage. HZ für verschiedene Hauptreihensterne berechnen: Mittels Teff (Spektralklasse) den Energiefluss S berechnen und vergleichen mit solarem S. HZ von Hauptreihensternen (nach Landolt-Börnstein 1982)

27 Gezeiteneffekte auf Planeten
Masse der Planeten terrestrische: innere Region jupiterartige KBO Jupiterartige sind lebensfeindlich. Nur terrestrische Planeten kommen in Frage. Gezeiteneffekte auf Planeten Planeten mit gebundener Rotation ausschließen.

28 K, M ausschließen (90 % aller Sterne).
Habitable Zonen und Bereiche terrestrischer Planeten für verschiedene Sterne (nach Kasting 1993) K, M ausschließen (90 % aller Sterne). Nur G-Sterne geeignet, weil lange genug auf Hauptreihe und Planeten in HZ nicht in gebundener Rotation.

29 Anstieg der Leuchtkraft und kontinuierliche habitable Zone (CHZ)
Entwicklung der Leuchtkraft sonnenähnlicher Sterne auf der Hauptreihe (nach Bressan 1993) Leuchtkraft der Sonne in 4,6 Ga angestiegen HZ wandert nach außen Engerer Bereich für Planeten, um immer in HZ zu bleiben. CHZ 0,7—1,13 AU

30 Instabilitäten Irreversible Vergletscherung Achsenvariationen
Weitere Einschränkungen der CHZ durch Gefahren für den Planeten: Irreversible Vergletscherung Achsenvariationen Unkontrollierter Treibhauseffekt senkt äußere Grenze hebt innere Grenze CHZ 0,95—1,01 AU (nach Ulmschneider 2006) 0,06 AU

31 terrestrischer Planet mit richtiger Masse
Zusammenfassung Habitabler Planet: terrestrischer Planet mit richtiger Masse Umlaufbahn in CHZ 0,95—1,01 AU um einen G-Stern Wie viele solcher Planeten gibt es in der Galaxis?

32 4. Extraterrestrische Intelligenz
Drake-Formel F. Drake (1961) Drake-Formel schätzt die Anzahl extraterrestrischer intelligenter Zivilisationen in der Galaxis, die durch Radiowellen kommunizieren.

33 N Anzahl intelligenter kommunizierender Zivilisationen in der Galaxis
NS Anzahl geeigneter Sterne in der Galaxis fP Anteil Sterne, die Planeten haben nE Anzahl habitabler Planeten in CHZ pro Stern fL Wahrsch., dass sich Leben entwickelt auf habitablem Planet fI Wahrsch., dass sich aus Leben Intelligenz entwickelt fC Wahrsch., dass intelligente Zivilisation kommuniziert L Durchschn. Lebenszeit einer technologischen Zivilisation LS Zeitspanne, während der habitable Planeten existiert haben

34 NHP Anzahl habitabler Planeten in Galaxis
astronomischer Teil biologischer Teil NHP Anzahl habitabler Planeten in Galaxis fIC Anteil habitabler Planeten, die kommunizierende Intelligenz entwickeln

35 Anzahl der habitablen Planeten in der Galaxis
Sterne in Galaxis G-Sterne Population I Einzelsterne Gezeiten-Störungen Akkretionsscheiben ähnlich 4 terr. Planeten innerhalb 5,2 AU in CHZ 0,06 AU Migration Existenz eines großen Mondes? 4 Millionen habitable Planeten (nach Ulmschneider 2006)

36 Anzahl der intelligenten Zivilisationen in der Galaxis
Angenommen Lebenszeit als log. Durchschnitt aus ältesten (109 a) und jüngsten (104 a)? 4 000 intelligente Zivilisationen (nach Ulmschneider 2006)

37 Autorenvergleich Werte in der Drake-Formel bei verschiedenen Autoren (Ulmschneider 2006)

38 Lebenszeit einer extraterrestrischen Zivilisation
Zahl der vergangenen und gegenwärtigen intelligenten Zivilisationen (Ulmschneider 2006)

39 Entfernungen zwischen extraterrestrischen Zivilisationen
Falls 4 Millionen erdähnliche Planeten statistisch verteilt in Galaxis 170 Lj durchschn. Entfernung zwischen zwei habitablen Planeten 1 700 Lj durchschn. Entfernung zwischen den überlebenden intelligenten Zivilisationen Wichtig für zukünftige direkte Beobachtungen und Analyse der Atmosphäre.

40 SETI (Search for Extraterrestrial Intelligence)
Suche nach intelligenten Signalen im Radiobereich. Warum Radiowellen? Vom Erdboden aus: Radio oder Licht Cacconi, Morrison (1959) Frequenzbereich? Störendes Rauschen und Lufthülle begrenzen Frequenzbereich 1—15 GHz

41 Mikrowellenfenster der Radiostrahlung außerhalb der Erdatmosphäre
Zwei wichtige Linien der Radioastronomie H OH 21 cm — 18 cm 1,402 GHz — 1,662 GHz 242 MHz 442 Millionen Kanäle der Bandbreite 1 Hz Intensive Suche im Wasserloch bei der 21-cm-Linie des neutralen Wassersfoffs

42 Projekt Ozma 25-m-Teleskop
F. Drake (1960) am NRAO in Green Bank 25-m-Teleskop über 4 Monate 6 Stunden pro Tag ausgerichtet auf sonnennahe G-Sterne Tau Ceti und Epsilon Eridani. Suche nach regelmäßig gemusterten Pulsen. Entdeckung des ersten Pulsars 1967 sah zuerst nach intelligenten Signalen aus!

43 Weitere SETI-Projekte
META (jetzt BETA) Harvard-University sucht Wasserloch ab bei 1,4 – 1,7 GHz SERENDIP University of California, Berkely nutzt 300-m-Teleskop Arecibo, Puerto Rico SERENDIP IV (ab 1997) Multimillionen-Kanal-Empfänger prüft 168 Millionen Kanäle jede 1,7 sec im 100 MHz-Band bei 1,42 GHz

44 Wasserfall-Aufnahmen
a. SERENDIP b. Ältere Aufnahmen 1970 mit Pulsar a. Aufnahme mit 2,5 MHz Bandbreite von 1,4180 – 1,4205 GHz Horizontale Achse: 4,2 Millionen Kanäle geplottet Vertikale Achse: Beobachtungszeit

45 Laufende SETI-Programme: 3 kW detektieren in 100 Lj Entfernung,
wenn Signal auf Erde gerichtet 1700 Lj jenseits unserer Möglickeiten! SETI-Bildschirmschoner seit 1999 SETI Institute NASA-SETI-Programm Kostenfrage! OSETI Suche im optischen nach extrem kurzen und starken Lichtsignalen Zukunftsprojekte: Allen Telescope Array Radioteleskope eigens für SETI Rückseite des Mondes? Keine störende Atmosphäre

46 Wo sind die Außerirdischen?
Fermi-Paradoxon: Wo sind die Außerirdischen? Zoo-Hypothese

47 HOERNER, Sebastian v. (2003): Sind wir allein
HOERNER, Sebastian v. (2003): Sind wir allein. Seti und das Leben im All KASTING, J.F. (1993): Earth‘s early atmosphere, Science 259, 920 Spektrum der Wissenschaft. Dossier 3/ 2002: Leben im Weltall The Astrobiology Primer: An Outline of General Knowledge - Version 1, 2006 ULMSCHNEIDER, Peter (2006): Intelligent Life in the Universe 5. Literatur