Aula 6: Evolução da complexidade no Universo

AGA 0316 -2012
Evolução da
complexidade
no universo -II
Um Universo Biofílico
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.
Martin Rees
Our Cosmic Habitat
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 galáxias
os 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, onde
c = 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 Biophily
Extensive 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
Defined by Pmetals
•Rather Sensitive to the Metallicity* Z
*Metals= for astrophysics every element heavier than He
• Probability of “destroying”
Earths (parameter ZDE)
• Probability of producing
Earths (parameter ZPE)
• Probability of harboring
Earths (PHE=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 ?
Disk Model for our Galaxy
Multi-Zone Double Infall Chemical Model
Star formation rate
Infall rate (thin disk)
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!!!
Lineweaver et al., Science, 303, 59 (2004)
GALACTIC HABITABLE ZONE (68% e 95%)
Galaxies and Biophily
Intensive 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
PERICONDENSADO
BIFENIL
PAH (PANH) WORLD
Recent detection of a PANH in the IR
Hudgins et al. ApJ, 2005
H
N
C
Caffeine
• 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.
Generalized PANH Species
Detecting PANHs through the 6.2 line
From the
RNA World
to the
Aromatic 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?