Liquid water and organics in Comets: implications for exobiology

J.T. Wickramasinghe, N.C. Wickramansinghe, M.K. Wallis (2009)

Vortrag im Rahmen der Forschungsplattform Exolife

Susanne Pollack-DrsSS 2010

Aufbau von Kometen

-) kleinen Himmelskörper unseren Sonnensystems

-) stark elliptische Bahnen um die Sonne

-) Kern: relativ dicht und stabil, wenige km groß

besteht aus Wassereis, Staub, Gesteinsmaterial

( schmutziger Schneeball)

-) Koma: =Gashülle Kern in Sonnennähe – Erwärmung der Oberfläche – Sublimation von Wassereis – Abgabe an die Umgebung – Mitreißen von Staubteilchen – Koma aus Gas und Staub, umhüllt Kern

Aufbau von Kometen

Durchmesser von 50 000 bis 150 000 kmBestehend aus C, H, O, NGasdichte: 10 000 bis

1000000/cm3

Ionenschweif: Dissoziation und Ionisation des Gases PlasmaSonnenwind transportiert die Ionen weg vom Kern – bläulicher Schweif; zeigt vom Kometen weg

Staubschweif: feste Teilchen aus dem Kern, bis zu 10 000 000 km lang, zeigt von der Sonne weg, leicht gekrümmt; Streuung des Sonnenlichts bewirkt eine gelbliche bis weiße Färbung

Aufbau eines Kometen

-) bei jedem Umlauf um die Sonne Massenverlust-) nach 1000 Umläufen – Verlustdes größten Teil des Materials-) Rest: ein nicht mehr aktives Objekt ähnlich einem Asteroiden-) Zerbrechen mancher Kometen, Auflösung in kleine Bestandteile

-) durch Kollision mit anderen Planeten,… Verlassen des Sonnensystems

-) Erkenntnisse durch die Raumsonde „Giotto“ (Aufnahmen aus 1675 km vom Kern des Halleyschen Kometen)

Warum ist die Untersuchung von Kometen von Interesse für Astronomen?

-) Entstehung des Sonnensystems vor 4,6 Mrd. Jahren aus rotierenderScheibe aus Gas und Staub-) leicht flüchtigen chemischen Elemente sind verdampft, nur noch

schwere Elemente übrig erdähnliche Planeten-) weiter draußen niedrige Temperaturen Wasser kondensiert in der Scheibe jupiterähnliche Planeten mit viel H und He.-) hier bildeten sich auch die Kometen durch Riesenplaneten an den

Rand des Sonnensystems bzw. aus diesem heraus geschleudert-) die nicht „verloren gegangenen“ Objekte bilden die Oortsche Wolke – Reservoir für Kometen-) von hier Kometen wieder ins Innere des Sonnensystems zurück –

langperiodische Kometen mit Umlaufbahnen von Millionen von Jahren-) ihre Umlaufzeit kann verkürzt und ihre Bahn verändert werden durch

die Schwerkraft der großen Planeten

Warum ist die Untersuchung von Kometen von Interesse für Astronomen?

-) Kometen der Jupiter-Familie bilden eine wichtige Untergruppe:Starke Veränderung ihrer Bahnen, sodass ihr sonnenfernster Punkt (Aphel)

etwa bei der Jupiter Bahn und ihre Bahnebene nahe bei der Ekliptik liegt.

Tempel 1-) die meiste Zeit verbringen die Kometen in den Außenbereichen des

Sonnensystems – niedrige Temperaturen, sehr langsamer Ablauf der chemischen Reaktionen und physikalischen Prozesse

„tiefgefrorene“ Kometenkerne, nahezu unveränderter Urzustand wie zur Entstehungszeit im Sonnennebel

Wichtige Informationen über die Entstehungsbedingungen des Sonnensystems

Warum ist die Untersuchung von Kometen von Interesse für Astronomen?

Kometen als Geburtshelfer irdischen Lebens Lebensentstehung direkt auf der Erde – Leben aus dem All durch

Kometen Simulationen eines Hochgeschwindigkeitseinschlages ergaben, dass

organische Moleküle unbeschädigt auf die Erde gelangen können

- metallische Oberfläche mit einem Geschoss, dessen Oberfläche einen Wassertropfen mit Aminosäuren enthielt, beschossen Protein-Vorstufen

- Abhängigkeit vom Einfallswinkel – sehr flach (< 25°) – große Wahrscheinlichkeit, dass Wassertropfen heil ankommt

3 wichtige Zutaten für die Entstehung des Lebens: flüssiges Wasser – organisches Material - Energie

Flüssiges Wasser

-) obwohl H2O einen großen Bestandteil der Zusammensetzung eines Kometen ausmacht – wurde es für lange Zeit als unwahrscheinlich erachtet, dass es flüssiges Wasser existiert

-) Whipple´s icy conglomerate model – elementare Gase durch Sublimation aus gefrorenem Material; Eis ist durchmischt mit sehr widerstandsfähigen Materialen ließ keine Diskussion über flüssiges Wasser zu

-) 1. Diskussion über flüssiges Wasser: Hoyle und Wickramansinghe (1979): innereSchmelzvorgänge aufgrund akkretierter chemisch-reaktiver

Bestandteile aus interstellarem Staub Dichte ist um das 10 fache größer als die latente Wärme des

Schmelzens

-) Whipple und Stefanik (1966): strahlungsbedingte Wärmequellen – allerdings waren die langlebigen Radionuklide zu schwach

Flüssiges Wasser

-) Wallis (1980): Nachweis von Al26 in Meteoriten führte zu Berechnungen, basierend auf der Vorstellung, dass sich unser Sonnensystem aufgrund von Schockwellen einer nahe gelegenen Supernova anfing zu formen – Einbringung radioaktiven Materials – rasche Bildung von Kometen – genügend Energie um Schmelzprozesse im Inneren der Kometen hervorzurufen Ozeane unter der Oberflächenkruste

flüssiges Wasser könnte mehr als 1 Million Jahre erhalten geblieben sein, bevor die Ozeane wieder zum Zufrieren begonnen haben

Voraussetzungen für flüssiges Wasser in Kometenkernen

-) Umgebungstemperatur und Druck müssen die Werte des Tripelpunktes überschreiten: T=273 K, p=6 mb

-) Werte sind abhängig von der Zusammensetzung des Wassers (gelöste Salze,…)

-) Formel für den zentralen Druck: p=

Annahme: = 0.3 -0.5 g cm-3, p > 6 mb; ergab: r > 8-20 km minimaler Radius eines Kometenkörpers, bei dem die Schwerkraft einen flüssigen Wasserkern erhält

Krusten und Eisschichten können enorme Kräfte mobilisieren, allerdings wenn sie brechen, kann der Gasdruck gegen die Schwerkraft wirken

2 22π G ρ r3

Voraussetzungen für flüssiges Wasser in Kometenkernen

-) Phasenübergänge von Eis zu flüssigem Wasser dramatische biologische Konsequenzen innerhalb eines Kometen

-) anaerobe oder chemotrophe Mikroorganismen, die sich in einem Überdauerungsstadium befinden (zB. Sporen) können anfangen Stoffwechsel zu betreiben, Reproduktion,…

Kometen als ideale Umwelt für frühe Bakterienformen

-) exotherme Reaktionen aufgrund des Stoffwechsels können ein weiteres Schmelzen des Eises bewirken, Freisetzung von Gasen

Auswirkung auf die Kruste

Beweise für flüssiges Wasser in Kometenkernen

-) anhand interplanetarer Staubpartikel und kohlenstoffhältigen Meteoriten aus Kometen

-) geochemische Analysen an kohlenstoffhältigen Chondriten wiesen auf einen wässrigen Ursprung im „Muttergestein“ hin

-) interplanetare Staubteilchen (von Kometen) aus der Atmosphäre enthielten hydratisierte Stadien – Hinweis auf wässrigen Ursprung

Komponenten bestanden aus Lehm, Serpentin, Karbonaten mineralogisch ähnliche Zusammensetzung wie Chondrite

Primordial Melting

-) Entstehung des Sonnennebels aufgrund einer Supernovaexplosion Beweis beruht auf nicht mehr vorhandenen radioaktiven Isotopen mit sehr kurzen Halbwertszeiten: Al26, Fe60, Be10 durch kosmische Strahlung

-) genügend Energie freigesetzt um Kometenkerne aufzuschmelzen

zB: Al26 – Halbwertszeit 0,74 Millionen JahreEnergie bei radioaktivem Zerfall zu Mg26 ist 1.48x1013 J kg-1

Die gewonnene Energie aus Al26 und Fe60 gemeinsam beträgt: 3x107 J kg-1.Dieser Betrag ist um 2 Größenordnungen höher als die Fusionswärme von

Wassereis (3,34x105 J kg-1)

Primordial Melting

-) die Möglichkeit der Existenz von flüssigen Wasserkernen ist damit eigentlich gefestigt

-) um die Dauer der flüssigen Phase abzuschätzen, bedarf es aber noch einiger Berechnungen berücksichtigt werden müssen: therm. Leitfähigkeit von Regolith, die Zeitspanne zwischen dem Einbringen der radioaktiven Substanzen in den Sonnennebel und der Bildung von Kometen

-) Modelle für die thermische Entwicklung von Kometen durch radioaktive Substanzen (Wallis 1980)

limitierender Faktor: Zeitspanne für die Akkretion der kurzlebigen radioaktiven Substanzen aus dem Sonnennebel Dauer > mehrere Millionen Jahre – kein Vorhandensein der radioakiven Substanzen mehr

Trotz einiger Unsicherheiten ist man sich sicher, dass die Bildung

eisiger Körper innerhalb des Sonnensystems auf Zeitskalen < einiger Millionen Jahre erfolgte

Primordial Melting

-) für Kometen weiter außerhalb im Sonnensystem, die über lange Zeiträume kondensieren, erscheint die radioaktive Erwärmung schwächer, stammend von Th232, U238, K40.

-) Wallis (1980) konstruierte ein Wärmeleitfähigkeitsmodel für Al26. Er fand heraus, dass ein Komet mit einem Radius ~3-6 km mit einem

entsprechenden Anteil an Al26 schmelzen würde. Diese flüssige Phase würde für eine Zeitspanne von einer Millionjahre aufrecht bleiben.

Primordial Melting

-) Model für die thermische Entwicklung: (heat transfer equation):

T..Durchschnittstemperatur, Cp spezifische Wärme,

H radioaktive Wärmeinput pro Masseneinheit, K therm. Leitfähigkeit, X0 ist Massenanteil an Al26,

R Kometenradius, t0 (1 Mill. Jahre) Zeit zw. dem Einbringen von Al26 und der

Kometenentstehung, t ist die Zeit nach der Bildung des Kometen

0( t t)/12

3 TR

p 0dTC X Hedt

Primordial Melting

Abbildung zeigt die berechneten Temperaturen anhand numerischer Lösung der Gleichung

für T0=100 K, R>10 km 273 K

für T0=60 K, R>15 km 273 K t<0,5 Myr

Temperaturen > 273 K sind unrealistisch, denn weitere freigesetzte Wärme durch radioaktiven Zerfall wird absorbiert durch das schmelzende Eis und führt nicht zu einer weiteren Erwärmung

Primordial MeltingAbbildung zeigt die Volumsanteile

des geschmolzenen Materials für R=12 km und 15 km.

Es zeigte sich, dass bei kleineren Kometen, auch wenn sir flüssige Kerne aufgrund von Radioaktivität besitzen, weniger Volumsanteile besitzen und weniger lang existieren als bei größeren Kometen.

Primordiales Wasser ist auch möglich für Kometen mit 12 km.

Primordial Melting

Die Bedeutung für die Wärmeerzeugung durch radioaktive Isotope für

die Exobiologie liegt in der Zusammensetzung von Wasser, Mineralen, organischen Stoffen in flüssigen/gasförmigen Kometenkernen, die eine ideale Umwelt bieten für anerobe Mikroorganismen über Millionen von Jahren.

Nährstoffe gibt es durch Kondensate aus den interstellaren und mineralischen Körnern

Grundlagen für eine chemoautotrophe Ökologie

Komet Halley

-) 1986 wurde Komet Halley von 5 Raumsonden untersucht

-) benannt nach Edmund Halley (1656 – 1743), er kartierte als erster den südlichen Sternenhimmel

-) auf Grundlage der Gravitaionsgesetze berechnete er die Bahnen von 24 bis dahin bekannten Kometen

-) er ging einer Theorie von Jean-Dominique Cassini (1625-1721) nach: Vermutung, dass es sich bei historischen Kometenbeobachtungen immer um ein und denselben Kometen handelte

Komet Halley

-) Vergleich der Bahnelemente der Kometen von 1531, 1607, 1682 erbrachte große Ähnlichkeiten aus dem Muster der Erscheinungsdaten errechnete Halley eine periodische Wiederkehr

-) Vorraussage für 1758 erschien am 25.12.1758

-) 1910 löste die Erscheinung von Halley eine weltweite Massenpanik aus

Astronom William Huggins hatte festgestellt, dass sich im Licht von Kometenschweifen die Spektrallinien für Kohlenstoffverbindungen nachweisen ließen, auch Spuren von Cyan

Cyan + Kalium Giftgas Zyankali

Komet Halley

-) Furcht vor Giftgas-Tod-) die Messgeräte zeigten beim

Vorbeiflug des Kometen nicht die geringste Spur von Cyanid, da die Gasdichte in Kometenschweifen viel zu gering ist

-) Neigung 18° zur Ekliptik-) regelmäßige Umlaufbahn-) gegenläufig zur Laufrichtung der

Planeten-) größten bekannten Kometenkern

(16x8x8 km)-) VEGA 1 und 2 lieferten Bilder aus

einer Entfernung von 8000 km erste Bilder von Koma, Schweifen, Struktur des Kometenkerns

-) aktiven Gebiete waren zu sehen-) die von der Oberfläche ausgehenden

Jets aus Gas und Staub-) Rotation von 2,2 Tagen um die

eigene Achse-) spektakulärsten Ergebnisse erbrachte

die Raumsonde GIOTTO 14.3.1986, 600 km Nähe-) hochwertige Bilder mit einer

Auflösung bis zu 100 m-) die Oberfläche erwies sich als sehr

dunkel, Albedo: 3%-) Massenspektroskopie erbrachte eine

Staubkomponente aus leichten Elementen

Komet Halley

Komet Halley

-) es zeigten sich auch chondritische Bestandteile

-) IR Messungen ergaben eine Temperatur T~320-400 K in 0.8 AU

höher als die Sublimationstemperatur

von Wassereis im Weltraum (200 K)

Komet 19/P Borrelly

-) Entdeckung: 28.12.1904 durch Alphonse Louis Nicolas Borrelly im Sternbild Walfisch

-) kurzperiodisch, Wiederkehr 1911-) elliptische Umlaufbahn um die Sonne,

Perihel innerhalb der Bahn des Mars Aphel außerhalb der Jupiter Bahn-) aus der Jupiter Familie-) am 22.9.2001 Vorbeiflug der Raumsonde

Deep Space 1 in 2200 km Abstand an dem Kometen

-) längliches Gebilde mit einer Größe von 8x4x4 km

-) Dichte 0,49 g/cm3

Komet 19/P Borrelly

-) Oberfläche ist die Dunkelste im Sonnensystem: Albedo 0,03

-) sehr dunkle Flecken mit einer Albedo <0,008; dunkler als Kohle dafür kaum Minerale bekannt

-) Oberflächentemperaturen 300-340 K-) keine Spuren von Wasser-) die Oberflächentemperaturen passen zur

Erwärmung durch die Sonne mit geringer therm Leitfähigkeit

Comet 81/P Wild 2

-) entdeckt am 6.12.1978 von Paul Wild-) kurzperiodischer Komet-) hatte früher eine stärkere exzentrische

Umlaufbahn, im Jahre 1974 durch die Gravitaionskräfte Jupiters Veränderung der Bahn

-) durch die Bahnstörung wurde er ins innere Sonnensystem umgelenkt

-) Umlaufzeit von 40 auf 6 Jahre verkürzt-) am 2. Jänner 2004 von der Raumsonde

Stardust untersucht-) Partikelproben aus der Koma Material von

einem Kometen, das sich seit der Entstehung des Sonnensystems kaum verändert haben dürfte

Comet 81/P Wild 2

-) Kometenkern hat 5 km Durchmesser-) Albedo 0,04-) rauhe Oberfläche, mit flachen Mulden

überzogen, steile und schroffe Ränder-) kleine und große Strukturen (bis 2 km) –

möglicherweise Einschlagskrater oder durch ausströmende Gasjets gebildet

-) sehr niedrige Albedo

Melting under solar heating-) Beobachtung von Kometen im Hinblick

auf ihre isolierende Kruste gegen subsonnen Temperaturen

-) Schichtaufbau betrachtet ~ 1m dicke Schicht: Material das entgast

in Sonnennähe~darüber Kruste, die brechen kann,

entweichen von Wasserdampf, volatile Elemente

-) unterhalb einer gewissen Schichte wird die Möglichkeit der Existenz flüssigen Wassers aufgrund Sonneneinstrahlung in Erwägung gezogen

-) flüssiges Wasser kann unter 0,2 m existieren (Halley)

Melting under solar heating

-) das Vorhandensein von flüssigem Wasser erfordert Temperaturen in gewissen Tiefen über einer gewissen Schmelztemperatur (T=273 K, 250 K für organische Wassereisgemische)

-) in Periheldistanzen von 1 AU ist es in einer Tiefe von 0,3-0,5 m möglich, dass flüssiges Wasser für Tage bzw. Wochen existiert

Tempel 1 – Deep Impact

-) Tempel 1 wurde im Jahre 1867 von Ernst Wilhelm Leberecht Tempel entdeckt

-) damalige Umlaufperiode betrug: 5,68 Jahre

-) Bahnberechnungen ergaben, dass ein naher Vorbeiflug an Jupiter im Jahre 1881 seine Umlaufzeit auf 6,5 Jahre vergrößerte, Perihel auf 2,07 AU angehoben wurde

-) durch Vorbeigänge an Jupiter 1941 und 1953 senkten das Perihel ab und verkürzten die Umlaufperiode wieder

-) 1967 wurde er wieder entdeckt-) heutige Umlaufzeit: 5,5 Jaher; Perihel:

1,5 AU

Tempel 1 – Deep Impact

-) Raumsonde Deep Impact wurde am 12.1.2005 gestartet und auf eine Bahn gebracht, die sie nach nur 6 Monaten Flugzeit auf Kollisionskurs mit dem Kometen gebracht hat

-) ein „Mutterschiff“ mit 2 Kameras, Infrarotspektrometer, 372 kg schweren ebenfalls mit einer Kamera ausgerüsteten Projektil, das auf den Kometen abgefeuert wurde

-) Wahl der Bahn, ermöglichte dass der Einschlag nur 1 Tag vor dem Durchgang des Kometen durch das Perihel erfolgte, um so eine möglichst hohe Einschlagsenergie zu erreichen

Tempel 1 – Deep Impact

-) Einschlag musste von Erde beobachtbar sein!

-) möglichst umfassende Informationen über die Oberflächennahen Schichten des Kometenkerns

Tempel 1 – Deep Impact

Tempel 1 – Deep Impact

-) am 3.Juli.2005 wurde das Geschoss losgeschickt vom Mutterschiff und 24 Stunden später schlug es auf dem Kometen ein, unter einem Winkel von 20°-30°, mit einer Geschwindigkeit 10,3 kms-1.

-) die während des Einschlags aufgenommenen Bilder zeigten einen unregelmäßig geformten Himmelskörper, Radius ~3km

-) Rotationsperiode 41,85 h; Masse: 4x1013 kg Dichte für den Kern: 350 kg m-3. (geringer

als die Dichte von Wasser, Kerne sehr porös)

Tempel 1 – Deep Impact

-) Berechnungen zufolge, hat der Einschlagskrater einen Durchmesser von 100 m

-) direkte Beobachtung des Kraters nicht möglich, da die Wolke an Auswurfmaterial die Sicht versperrte

-) aus dem Helligkeitsanstieg der Koma konnte die freigesetzte Staubmasse grob abgeschätzt werden

-) freigesetzte Gas – überwiegend aus Wassermolekülen – durch UV-Strahlung zerlegt in die Radikale OH und H

-) freigesetzte Menge an Wasser: mit 5 bis 9x1000 Tonnen Wassereis deutlich geringer als die geschätzte Gesamtmasse an freigesetztem Staub

Tempel 1 – Deep Impact

-) Tempel 1 erinnert an einen eisigen Staubball-) freigesetzte Wasser sublimierte bereits wenige Stunden nach dem

Einschlag-) freigesetzte Staubfontäne wurde noch Tage nach dem Einschlag

beobachtet-) Interessante Frage nach der Kometenzusammensetzung:Großen Anteil an den Mineralen: magnesium-reicher Olivin(Forsterit),

Pyroxen, eisenreicher Olivin (Fayalit), wasserhaltige Minerale (Schichtsilikate und Karbonate) – erwartet man nicht in Kometen

Vorhandensein deutet daraufhin, dass flüssiges Wasser sich in ausreichender Menge bilden konnte durch wesentliche Erwärmung in seiner Geschichte

-) der Nachweis und die Charakterisierung von Wasser im Kern von Tempel 1 war sehr bedeutend

Tempel 1 – Deep Impact

-) Wasser im Kern konnte bis dahin noch nicht beobachtet werden (nur in der Koma)

Deep Impact gelang der Nachweis von Wassereis an der Oberfläche-) es wurde auch sofort nach dem Einschlag in der Auswurfwolke

gemessen, was bedeutet, dass sich das Eis direkt unter der Oberfläche befunden haben muss

Temperaturkarte der oberen Hälfte von Tempel 1

gelb: Regionen in denen Wassereis an der Oberfläche nachgewiesen wurde (T=285 bis 295)

Tempel 1 – Deep Impact

-) die Temperaturen waren selbst in den Bereichen wo Wassereis nachgewiesen wurde noch recht hoch – Wassereis müsste bei diesen Temperaturen sofort sublimieren (T=200K)

-) Wassereis muss stark mit steinigem Material gemischt sein, dh. eigentlich wurde die Temperatur des Gesteins gemessen

-) schichtartiger Aufbau des Kerns -) 2 parallele Linien auf der Oberfläche: Ursprung in der Entstehung des

Kerns, oder Erosionsprozesse????-) kreisförmige Strukturen-ähnlich den Mondkratern – Einschlagskrater?-) 2 sehr flache Gebiete, geringe Höhenunterschiede <10m, hier könnte

Wasser geschmolzen und wieder gefroren sein-) im Jahr 2011 wird Tempel 1 von der Stardust Sonde besucht werden:Vollständige Kartierung des Kometen, Landegerät auf der

Kernoberfläche – Untersuchung von Bodenproben

Tempel 1 – Deep Impact

-) Spektralanalysen: vor dem Einschlag viel H2O und CO2; nach dem Einschlag erhöhte Emissionen in CH zeigt, dass die organischen volatilen Elemente in normalem Kometengas nicht vorhanden sind, sondern durch die Kruste gefiltert und gut verschlossen werden. Unter entsprechender Erwärmung können sie schmelzen.

Tempel 1 – Deep Impact

Untersuchung des organischen Materials; Asphalt miteinbezogen als Analogie für einen organischen Festkörper auf einem primitiven Körper des Sonnensystems

Fig. 8 zeigt ein 2:1 Verhältnis von biolog. Material zu Asphalt;Absorptionskurven erzeugt Gemische von Olivin und Biomaterial

Tempel 1 – Deep Impact

-) Mischungen von Lehm und biologischem Material (erhitzt auf 350 K);

Tempel 1 – Deep Impact

Zusammenfassend wurde bestätigt:-) lehmhältige Minerale, komplexe organische Strukturen, PAH sind nach

dem Einschlag vorhanden-) kohlenstoffhältige Chondrite können nicht mehr geleugnet werden-) Einschlagsgebiet enthält neuerlich gefrorene Kruste und nicht nur

ursprüngliche aus der Entstehungszeit

*) radioaktive Isotope – überdauernde Mikroorganismen, die bei jeder periodischen Wiederkehr des Kometen biolog. aktiv werden (Antarktis)

*) Pools knapp unter der Kruste; diese dicht genug um sie aufrecht zu erhalten, solbald ein Loch in die Kruste kommt Entgasung

*) Bakterien brauchen nicht unbedingt flüssiges Wasser für ihren Metabolismus und ihre Reproduktion: Bakterien im Permafrost in Sibirien haben eine Verdopllungszeit von 20 Tagen bei -10°C; 160 Tage bei -20°C

Literatur

*) Liquid water and organics in Comets: an implication for exobiology J.T Wickramasinghe, N.C. Wickramasinghe, M.K. Wallis (2009);

International Journal of Astrobiology 8: 281-290*) Deep Impact – Einschlag auf einem Kometen: Harald Krüger (2008)