2nd Brazilian COROT Workshop 2005
ASTROBIOLOGICALLY
Gustavo Porto de Mello
INTERESTING
Eduardo del Peloso
Luan Ghezzi
STARS:
Observatório do Valongo
Universidade Federal do Rio de Janeiro
SELECTION
CRITERIA
Darwin (ESA)
Terrestrial Planet Finder (NASA)
COROT (CNES+Brazil+others)
Scientific Motivation
2nd Brazilian COROT Workshop 2005
To establish state of the art criteria for characterizing stars
which 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 thermodynamically
alter 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 2003
Nearby Biostar catalogue: Porto de Mello et al. 2004, 2005 (d < 15 pc)
Remote Detection of Life
2nd Brazilian COROT Workshop 2005
Star/Planet contrats in the thermal infrared
Des Marais et al 2002
Segura et al 2003
THE KEY:
SIMULTANEOUS DETECTION
O3 + CO2 + H2O
CO2 15 m, O3 9.6 m, H2O 6.3 m, CH4 7.7 m
8-12 m window: surface temperature, radius
The Habitable Zone Concept
2nd Brazilian COROT Workshop 2005
Planetary and stellar assumptions:
Surface H2O for a few Gyr, geologic activity, CO2-H2O-N2 atmosphere
magnetic 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
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
2nd Brazilian COROT Workshop 2005
Arrenhius equation: (1-a) Seff = 4 Tb4
Surface temperature: TS = Tb + T
OUTER
INNER EDGE
First Condensation
Water
Loss
Seff = 0.53
1.10
Maximum Greenhouse
Runaway
Greenhouse
Seff = 0.36
1.41
2nd Brazilian COROT Workshop 2005
The Habitable Zone Concept
Assumption: main sequence lifetime > oxygenation timescale
Upper mass limit: F9V-F7V stars, M ~ 1.2 M
Upper mass limit: K2V-K3V stars, M ~ 0.7 M
[Fe/H] = +0.00
1.0
log luminosity (solar units)
0.8
4.5 Gyr
0.6
5.9 Gyr
0.4
1.30
6.5 Gyr
0.2
8.6 Gyr
1.20
0.0
12.2 Gyr
1.10
-0.2
17.4 Gyr
1.00
-0.4
0.90
factor of 2 --> 0.3 in log
26.2 Gyr
-0.6
0.80
factor of 4 --> 0.6 in log
-0.8
MOST FAVORABLE CASE
0.70
-1.0
3.82
3.80
3.78
3.76
3.74
3.72
3.70
log effective temperature
3.68
3.66
3.64
2nd Brazilian COROT Workshop 2005
The Habitable Zone Concept
1/ 6
Tidal Lock Radius
Questions:
 Orbital resonances
 Magnetic moment
 Quick climate
damage
 Initial long lived
phase of extremely
high XUV flux and
mass loss rate
 P0 t 

rtl  0.027 
 Q 
M 1/ 3
2nd Brazilian COROT Workshop 2005
Continuously Habitable Zone and Timescales
2nd Brazilian COROT Workshop 2005
Continuously Habitable Zone and Timescales
Franck et al 1999, 2000
Bioprodutivity (biomass/time/area): pCO2 > 150 ppm
Grasses and other lower species: pCO2 > 10 ppm
Age of highly
diversified biosphere
(animals and plants)
is less than 20%
of total biosphere
lifetime
Too advanced
an age
is a liability
2nd Brazilian COROT Workshop 2005
The Candidates: selection in (B-V) and MV
Hipparcos HR diagram for d < 10 pc: 182 stars
27% = 50 pre-selected candidates
2nd Brazilian COROT Workshop 2005
Candidates: age & metallicity
2nd Brazilian COROT Workshop 2005
Candidates: isochronal ages
HR222, 4458 and 4523
0,2
log luminosity (solar units)
0,1
[Fe/H] = -0.27
luminosity ~ 1.7 a 2,1 zero age
HR4523
0,0
age ~ 7-11 Gyr
8
-0,1
6
0.95
-0,2
10
4
8
2
-0,3
0.90
6
HR4458
4
2
-0,4
0.85
6.9 Gyr
-0,5
HR222
0.80
0.75
-0,6
5750
-0,7
3,78
3,77
3,76
5500
3,75
3,74
5250
3,73
3,72
5010
3,71
3,70
log effective temperature
0.70
3,69
3,68
3,67
2nd Brazilian COROT Workshop 2005
Candidates: isochronal ages
HR5019
61 Vir
0,3
[Fe/H] = +0.00
log luminosity (solar units)
0,2
0,1
7
6
0,0
Sun

luminosity
~1.4 zero age
5
9
13
8
4
7
3
-0,1
2
11
6
5
1
1.00
-0,2
HR5019
61 Vir
age ~ 3-10 Gyr
luminosity ~1.5 zero age
4
9
3
2
7
1
0.95
5
-0,3
-0,4
3,77
3
5750
5620
5500
5370
3,76
3,75
3,74
3,73
log effective temperature
0.90
1
3,72
2nd Brazilian COROT Workshop 2005
Candidates: isochronal ages
HR7665
Delta Pavonis
0,6
[Fe/H] = +0.38
age > 5 Gyr
luminosity ~1.5 zero age
log luminosity (solar units)
0,5
5.5
0,4
1.25
5
4
6.5
7.5
3
0,3
6
5
4
3
0,2
5
4
1
0,1
7
6
2
3
1.20
2
1
1.15
0,0
3,78
3,77
5750
5620
5500
3,76
3,75
3,74
log effective temperature
3,73
2nd Brazilian COROT Workshop 2005
The “biostars” within 10 parsecs
HD
Name
1581
 Tuc
4628
10476 107 Psc
16160
32147
100623
102365
109358  CVn
115617 61 Vir
185144  Dra
190248  Pav
192310
219134
mass
age
[Fe/H] orbit
rank
d(pc)
~
<
<
<
<
<
<
>
~
<
>
<
<
~
?
?
?
~
>
>
~
~
>
~
>
?
~
<
<
~
>
<
<
<
~
<
>
~
~


8.6
7.5
7.5
7.2
8.8
9.5
9.2
8.4
8.5
5.8
6.1
8.8
6.5
>
~
>
>
>
>
>
~
>
>
~
>
>







2nd Brazilian COROT Workshop 2005
Conclusions & Perspectives
1) We can strongly constrain stars in the astrobiological sense, wit present
data: [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 and
masses
5) Theoreticians should explore habitability criteria for planets appreciably
different from the Earth
THANK YOU
3 - O Conceito de Zona Habitável
Ciclo carbonato-silicato: atua em escalas ~ 106 anos
Pode remover todo o carbono: oceanos + atmosfera em ~ 400 Mano
6
3a – Massas Estelares
11
Limite inferior de massa: fase inicial de vento denso + excesso de XUV
Remoçãofor
de ~
~ 10%
a 100%a de
voláteis
Tipo GK: fase saturada
100 Mano
níveis
100 vezes maiores
em escalas de ~ 1-2 Gano
Tipo M: fase saturada
de ~ 1 Gano ou mais
Güdel et al 1997
Wood et al 2002
12
3b – Massas Planetárias
Marte
< 0,5 M
Terra
0,5 M  < M < 3 M
ocean planets
3 M  < M < 10 M 
(Léger et al 2004)
Urano
M > 10 M 
Robustez: estabilidade climática (fatores internos e externos)
Planetas de maior massa podem ter ZCH maiores
Atividade geológica
Campos magnéticos
3c – Metalicidade: formação planetária
Forte relação entre metalicidade
e presença de planetas gigantes
Composição planetária:
Massa  101.5[Fe/H] (Lissauer 1995)
Também Fisher & Valenti (2005)
Razão [Si/Fe] e [Mg/Fe]
Razão litosfera/núcleo
Convecção no núcleo (magnetismo)
13
14
3d – Ainda a metalicidade
Aquecimento radiogênico:
fonte preponderante de
calor interno terrestre
40K
235U
238U
232Th
meia-vida = 1.3 Gano
meia-vida = 0.7 Gano
meia-vida = 4.6 Gano
meia-vida = 14.1 Gano
produção nucleossintética
vs. diluição [X/Fe]
vs. decaimento
Incertezas na razão 40K/K da Terra
3e – Órbitas Galácticas
Balázs 2000, Lépine et al 2001, 2003: co-rotação na posição do Sol
Leitch & Vasisht 1998: extinções
Riscos: SN, explosões de raios-, nuvens moleculares gigantes, glaciações
(Elis & Schramm 1993, Gehrels et al. 2003, Gies & Helsel 2005)
15
16
4 – Zona Continuamente Habitável
e Escalas de Tempo
Arqueozóica
0
1
RNA
2
Fotossíntese
Aeróbica
Proterozóica
3
4
Explosão
Cambriana
Paleozóico
Mesozóico
Cenozóico
Metazoários
Origem?
Procariotas
Eucariotas
O3 observável no Proterozóico ~ 2 Gano atrás (Segura et al 2003)
CH4 observável apenas a 10-1 PAL de O2 (Proterozóico)
Inteligência
Cognitiva
Eventos de oxigenação (Blair-Hedges et al 2004): ~ 2.3 e 3.0 Gano de idade
5b – Candidatas: multiplicidade
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 1993
Holman & Wiegert 1997,1999  limitações, erosão zonas de estabilidade (104
órbitas), problema da coplanaridade
34% da amostra de 50 estrelas é binária ou múltipla
Metade é eliminada apenas por ser binária/múltipla
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 UA
Mu Cas, SB1, P = 22 anos, e = 0.61
HR753, K3V e M7V, P ~ 60 anos, a ~ 15 UA, e ~ 0.75
41 Ara, G8V e e anã M, P ~ 690 – 2.200 anos
21
5c – Candidatas: idade e metalicidade
Porto de Mello & Lyra 2005: atividade cromosférica
Forte queda
exponencial
em ~1 Gano
Período inicial
de bombardeio
~ 0.5 a 1.0 Gano
(Hartmann 2004)
Mesmo
comportamento:
Ca II HK
Raios-X
Perda de massa
22
5d – Candidatas: idade e metalicidade
Eliminamos estrelas com indicadores cromosféricos sugerindo ~ 1 Gano de idade
24
5e – Candidatas: órbitas galácticas
12 estrelas sobrevivem a todos os critérios: nenhuma possui planeta
25