Evolução da complexidade no universo -II AGA 0316 -2012.

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1 Evolução da complexidade no universo -II AGA 0316 -2012

2 Um Universo Biofílico Martin Rees Our 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.

3 APENAS SEIS NÚMEROS N = 10 36, 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

4 MAS, OUTRAS COMBINAÇÕES DAS CONSTANTES FUNDAMENTAIS PODEM SER PROPICIAS PARA O APARECIMENTO DE VIDA:

5 O Universo tem galáxias

6 O Universo tem aglomerados de galáxias

7 APENAS SEIS NÚMEROS (N e ) N = 10 36, 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

8 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: v agl ~ 1000 km/s Definição de Q: Q=(v agl /c) 2, onde c = velocidade da luz = 300 000 km/s Q ~ 10 -5

9 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

10 O Dilema da vida: se encaixar entre dois extremos: Esterilidade vs. Violência

11 Um Universo com Galáxias Galáxias enquanto aceleradoras da complexificação do Universo

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13 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

14 Galaxies and Biophily Extensive view Galactic Habitable Zone

15 Defined by P GHZ proportional to the star formation rate conditions for forming rocky planets typical long evolutionary biological times survival to violent galactic events (e.g. SNe)

16 Probability of Forming Rocky Planets Probability of destroying Earths (parameter Z DE ) Probability of producing Earths (parameter Z PE ) Probability of harboring Earths (P HE =P metals ) Rather Sensitive to the Metallicity* Z *Metals= for astrophysics every element heavier than He Defined by P metals

17 Probability of Evolution over Biological Timescales Defined by P evol Darwins Theory requires long timescales P evol depends on t evol For Earth t evol = 4 Gyr t evol could be shorter than 4 Gyr?

18 Probability of Survival to Galactic Violent Events Defined by P SN Normalization to Earth? P evol depends on past evens through t SN For Earth, t SN = t evol = 4 Gyr Again, t SN could be shorter than 4 Gyr Other Killers: GRBs, GMCs, AGNi (BHs) ( Gamma Ray Bursts, Giant Molecular Clouds, Active Galactic Nuclei)

19 Matadores galáticos: GRBs, GMCs, AGNi, BHs

20 How frequent are biophilic environments in galaxies? Estimating through P GHZ comparing several galaxy types Spirals (disks) and Ellipticals (spheroids) Evaluated at several radii. Influence of AGNi ?

21 Star formation rate Infall rate (thin disk) Disk Model for our Galaxy Multi-Zone Double Infall Chemical Model

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23 Galactic Habitable Zone –Earth-Centered Case Defined by P GHZ P metals : Z DE =0.3 Z DE =-1.0 P ev : t ev =4Gyr PSN: t SN =4Gyr P SN (2 N sun )=0.5 normalized to the Sun (r=8 kpc, t=13 Gyr)

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25 Galáxia elíptica

26 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 10 11 M sun

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28 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!!!

29 GALACTIC HABITABLE ZONE (68% e 95%) Lineweaver et al., Science, 303, 59 (2004)

30 Galaxies and Biophily Intensive view Galaxies as laboratories of complex chemistry

31 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

32 Evolução gas – estrelas numa galáxia

33 Espectro de galaxia eliptica jovem V IV

34 Spitzer Space Telescope Descobriu que existem PAHs em todo o Universo

35 Especies de PAH LINEAR BIFENIL PERICONDENSADO

36 PAH (PANH) WORLD

37 H C N Recent detection of a PANH in the IR Hudgins 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

38 Generalized PANH Species

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40 Detecting PANHs through the 6.2 line

41 From the RNA World to the Aromatic World

42 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!!!

43 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?