astrobiologically interesting stars: selection criteria terrestrial planet finder (nasa) darwin...

ASTROBIOLOGICALLYASTROBIOLOGICALLYINTERESTINGINTERESTINGSTARS:STARS:SELECTIONSELECTIONCRITERIACRITERIA

Terrestrial Planet Finder (NASA)

Darwin (ESA)

Gustavo Porto de MelloGustavo Porto de MelloEduardo del PelosoEduardo del Peloso

Luan GhezziLuan Ghezzi

Observatório do ValongoUniversidade Federal do Rio de Janeiro

COROT (CNES+Brazil+others)

2nd Brazilian COROT Workshop 2005

Scientific Motivation

To establish state of the art criteria for characterizing starswhich might be hosts to biospheres detectable remotely

COROT will probably detect the first ever Earthlike planet

Final goal: to remotely detect the presence of life, able to thermodynamicallyalter a planetary atmosphere to a non-equilibrium state


THE PRESENT BACKGROUND:New constraints on the concept of Habitable Zone in Astrobiology:

Kasting et al. 1993, Franck et al. 2000, Gonzalez et al. 2001, Lineweaver et al. 2004

Long term climate stability, bioproductivity, oxygenation time scale,Galactic chemical evolution, stability agains catastrophes

RECENT APPROACHES:Habitability catalogue: Turnbull & Tarter 2003Nearby Biostar catalogue: Porto de Mello et al. 2004, 2005 (d < 15 pc)

Remote Detection of LifeStar/Planet contrats in the thermal infraredDes Marais et al 2002Segura et al 2003

CO2 15 m, O3 9.6 m, H2O 6.3 m, CH4 7.7 m8-12 m window: surface temperature, radius

THE KEY:SIMULTANEOUS DETECTION

O3 + CO2 + H2O


Climate Models:J. Kasting et al (Univ. Penn.), S. Franck et al (Potsdam Climate Research)

Negative feedback:pCO2 if T (greenhouse effect by the carbonate-silicate cycle)

Destabilizing effects:pH2O if T and albedo if T

The Habitable Zone Concept

Planetary and stellar assumptions:Surface H2O for a few Gyr, geologic activity, CO2-H2O-N2 atmospheremagnetic field, climate stability, threshold metallicity, stellar ages > 3 Gyr

O3 observable during Proterozoic ~ 2 Gyr ago (Segura et al 2003)CH4 observable only up to 10-1 PAL of O2 (Proterozoic)

Oxygenation timescale (Blair-Hedges et al 2004, Catling et al 2005) ~ 3 Gyr


Arrenhius equation: (1-a) Seff = 4 Tb4

Surface temperature: TS = Tb + T

Water LossSeff = 1.10

Runaway GreenhouseSeff = 1.41

INNER EDGE

First CondensationSeff = 0.53

Maximum GreenhouseSeff = 0.36

OUTER EDGE

The Habitable Zone Concept2nd Brazilian COROT Workshop 2005

Assumption: main sequence lifetime > oxygenation timescale

Upper mass limit: F9V-F7V stars, M ~ 1.2 MUpper mass limit: K2V-K3V stars, M ~ 0.7 M

3.82 3.80 3.78 3.76 3.74 3.72 3.70 3.68 3.66 3.64-1.0

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

MOST FAVORABLE CASE

factor of 4 --> 0.6 in log

26.2 Gyr

17.4 Gyr

0.70

0.80

0.90

1.00

1.10

1.20

1.30

12.2 Gyr

6.5 Gyr

8.6 Gyr

5.9 Gyr

4.5 Gyr

factor of 2 --> 0.3 in log

log

lum

inos

ity (

sola

r un

its)

log effective temperature

[Fe/H] = +0.00


3/1

6/1

0027.0 MQ

tPrtl

Tidal Lock Radius

Questions:

Orbital resonances

Magnetic moment

Quick climate damage

Initial long lived phase of extremely high XUV flux and mass loss rate


Continuously Habitable Zone and Timescales


Franck et al 1999, 2000Bioprodutivity (biomass/time/area): pCO2 > 150 ppmGrasses and other lower species: pCO2 > 10 ppm

Continuously Habitable Zone and Timescales

Age of highlydiversified biosphere(animals and plants)is less than 20%of total biospherelifetime

Too advancedan ageis a liability


The Candidates: selection in (B-V) and MV

Hipparcos HR diagram for d < 10 pc: 182 stars27% = 50 pre-selected candidates


Candidates: age & metallicity


HR222, 4458 and 4523

Candidates: isochronal ages


3,78 3,77 3,76 3,75 3,74 3,73 3,72 3,71 3,70 3,69 3,68 3,67-0,7

-0,6

-0,5

-0,4

-0,3

-0,2

-0,1

0,0

0,1

0,2

luminosity ~ 1.7 a 2,1 zero age

2

4

6

8

10

8

6

4

2

5750 5500 5250 5010

HR4523

6.9 Gyr

age ~ 7-11 Gyr

HR4458

HR222

0.95

0.90

0.80

0.85

0.75

0.70

[Fe/H] = -0.27

log lu

min

osi

ty (

sola

r units

)


HR5019 61 Vir



3,77 3,76 3,75 3,74 3,73 3,72-0,4

-0,3

-0,2

-0,1

0,0

0,1

0,2

0,3

Sun

5620 537055005750

13

11

9

luminosity~1.4 zero age

age ~ 3-10 Gyrluminosity ~1.5 zero age

7

5

3

1

9

87

6

5

4

32

1

7

6

5

4

3

2

1

HR5019 61 Vir

1.00

0.90

0.95

lo

g lu

min

osi

ty (

sola

r units

)


[Fe/H] = +0.00

HR7665 Delta Pavonis



3,78 3,77 3,76 3,75 3,74 3,73

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

age > 5 Gyrluminosity ~1.5 zero age

550056205750

5.5

6.57.5

65

4

3

5

3

41.25

1.20

1.15

2

1

765

43

2

1

[Fe/H] = +0.38

log lu

min

osi

ty (

sola

r units

)


The “biostars” within 10 parsecs

HD Name mass age [Fe/H] orbit rank d(pc)

1581 Tuc ~ ~ ~ > 8.64628 < ? < ~ 7.510476 107 Psc < ? < > 7.516160 < ? ~ > 7.232147 < ~ > > 8.8100623 < > < > 9.5102365 < > < > 9.2109358 CVn > ~ < ~ 8.4115617 61 Vir ~ ~ ~ > 8.5185144 Dra < > < > 5.8190248 Pav > ~ > ~ 6.1192310 < > ~ > 8.8219134 < ? ~ > 6.5


Conclusions & Perspectives

1) We can strongly constrain stars in the astrobiological sense, wit presentdata: [Fe/H] and Teff, chromospheric activity, evolutionary state, age, mass

2) In all neighborhood stars: ~7% are interesting <2% if we take galactic orbits as relevant <1% is actually similar to the Sun

3) Data completeness: only up to ~15 parsecs for [Fe/H] and activity

4) We should better constrain the stellar [Fe/H] and Teff: better ages andmasses

5) Theoreticians should explore habitability criteria for planets appreciablydifferent from the Earth


THANK YOUTHANK YOU

3 - O Conceito de Zona HabitávelCiclo carbonato-silicato: atua em escalas ~ 106 anos

Pode remover todo o carbono: oceanos + atmosfera em ~ 400 Mano

6

3a – Massas EstelaresLimite inferior de massa: fase inicial de vento denso + excesso de XUV

Tipo GK: fase saturada for ~ 100 Mano a níveis 100 vezes maioresTipo M: fase saturada de ~ 1 Gano ou mais

Güdel et al 1997

Wood et al 2002

Remoção de ~ 10% a 100% de voláteisem escalas de ~ 1-2 Gano

11

ocean planets3 M < M < 10 M (Léger et al 2004)

Marte< 0,5 M

UranoM > 10 M

Terra0,5 M < M < 3 M

3b – Massas Planetárias

Robustez: estabilidade climática (fatores internos e externos)Planetas de maior massa podem ter ZCH maiores

Atividade geológica

Campos magnéticos

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3c – Metalicidade: formação planetária

Forte relação entre metalicidadee presença de planetas gigantes Composição planetária:

Massa 101.5[Fe/H] (Lissauer 1995)

Razão [Si/Fe] e [Mg/Fe]Razão litosfera/núcleoConvecção no núcleo (magnetismo)

13

Também Fisher & Valenti (2005)

3d – Ainda a metalicidade

Aquecimento radiogênico:

fonte preponderante decalor interno terrestre

40K meia-vida = 1.3 Gano235U meia-vida = 0.7 Gano238U meia-vida = 4.6 Gano232Th meia-vida = 14.1 Gano

produção nucleossintética vs. diluição [X/Fe] vs. decaimento

14

Incertezas na razão 40K/K da Terra

3e – Órbitas Galácticas

Leitch & Vasisht 1998: extinções

Balázs 2000, Lépine et al 2001, 2003: co-rotação na posição do Sol

Riscos: SN, explosões de raios-, nuvens moleculares gigantes, glaciações(Elis & Schramm 1993, Gehrels et al. 2003, Gies & Helsel 2005)

15

0 1 2 3 4

Origem?

RNA

Procariotas

FotossínteseAeróbica

Eucariotas

ExplosãoCambriana

Metazoários

InteligênciaCognitivaO3 observável no Proterozóico ~ 2 Gano atrás (Segura et al 2003)

CH4 observável apenas a 10-1 PAL de O2 (Proterozóico)

Eventos de oxigenação (Blair-Hedges et al 2004): ~ 2.3 e 3.0 Gano de idade

PaleozóicoMesozóicoCenozóico

Arqueozóica Proterozóica

4 – Zona Continuamente Habitável e Escalas de Tempo

16

5b – Candidatas: multiplicidade

34% da amostra de 50 estrelas é binária ou múltiplaMetade é eliminada apenas por ser binária/múltipla

Dois problemas:

Possibilidade de formação de planetas:Barbieri et al 2002 (planetesimais em Eps Eri e 47 UMa)Thébault et al 2002 (planetesimais em Alfa Centauri)

Estabilidade em binárias:Pendleton & Black 1993Holman & Wiegert 1997,1999 limitações, erosão zonas de estabilidade (104

órbitas), problema da coplanaridade

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Casos interessantes:Alfa Centauri, massas 1.16 e 0.97, P = 80 anos, a = 23.6, e = 0.52 (1999)Eta Cas, massas 0.95 e 0.62, P = 480 anos, e = ?, a = 71 UAMu Cas, SB1, P = 22 anos, e = 0.61HR753, K3V e M7V, P ~ 60 anos, a ~ 15 UA, e ~ 0.7541 Ara, G8V e e anã M, P ~ 690 – 2.200 anos

5c – Candidatas: idade e metalicidade

Porto de Mello & Lyra 2005: atividade cromosférica

Forte quedaexponencialem ~1 Gano

Mesmocomportamento:Ca II HKRaios-XPerda de massa

Período inicialde bombardeio~ 0.5 a 1.0 Gano(Hartmann 2004)

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5d – Candidatas: idade e metalicidade

Eliminamos estrelas com indicadores cromosféricos sugerindo ~ 1 Gano de idade

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5e – Candidatas: órbitas galácticas

12 estrelas sobrevivem a todos os critérios: nenhuma possui planeta

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