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Evolução da complexidadeno universo -II
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Um Universo Biofílico
Martin ReesOur Cosmic Habitat
Um universo hospitaleiro à vida – o que podemos chamar de um universo biofílico – tem que ser muito especial de diversos modos. Os pré-requisitos para qualquer – 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.
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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
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APENAS SEIS NÚMEROS(N e )
• O Universo tem estrelas e elementos químicos
• 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 reste hidrogênio
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O Universo tem galáxias
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O Universo tem aglomerados de galáxias
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APENAS SEIS NÚMEROS(Q)
• Q = 1/100 000, medida da profundidade média das flutuações de densidade do Universo surgem galáxias surgem aglomerados de galáxiasos 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, ondec = velocidade da luz = 300 000 km/s Q ~ 10-5
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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
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O Dilema da vida
Esterilidade vs. Violência
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Um Universo com Galáxias
Galáxias enquanto aceleradoras da complexificação do Universo
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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
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Galaxies and BiophilyExtensive view
Galactic Habitable Zone
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Galactic Habitable Zone
Defined by PGHZ
• proportional to the star formation rate
• conditions for forming rock planets
• typical long evolutive biological times
• survival to violent galactic events (e.g. SNe)
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Probability of Forming Rock Planets
• Probability of destroying Earths (parameter ZDE)
• Probability of producing Earths (parameter ZPE)
• Probability of harboring Earths (PHE=Pmetals)
•Highly Sensitive to the Metallicity* Z *Metals= for astrophysics every element heavier than He
Defined by Pmetals
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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?
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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
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GALACTIC HABITABLE ZONE (68% e 95%)
Lineweaver et al., Science, 303, 59 (2004)
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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 ?
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Star formation rate
Infall rate (thin disk)
Disk Model for our Galaxy
Multi-Zone Double Infall Chemical Model
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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)
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![Page 29: Evolu ç ão da complexidade no universo -II. Um Universo Biofílico Martin Rees Our Cosmic Habitat Um universo hospitaleiro à vida – o que podemos chamar](https://reader036.vdocuments.com.br/reader036/viewer/2022081507/552fc10d497959413d8c4b06/html5/thumbnails/29.jpg)
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
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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 2 kpc) são as mais hospitaleiras à vida.
• Cuidado com considerações sobre habitabilidade com excessivo Centramento-na-Terra!!!
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Galaxies and BiophilyIntensive view
Galaxies as laboratories of complex chemistry
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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
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![Page 36: Evolu ç ão da complexidade no universo -II. Um Universo Biofílico Martin Rees Our Cosmic Habitat Um universo hospitaleiro à vida – o que podemos chamar](https://reader036.vdocuments.com.br/reader036/viewer/2022081507/552fc10d497959413d8c4b06/html5/thumbnails/36.jpg)
Especies de PAH
LINEAR
BIFENILPERICONDENSADO
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![Page 38: Evolu ç ão da complexidade no universo -II. Um Universo Biofílico Martin Rees Our Cosmic Habitat Um universo hospitaleiro à vida – o que podemos chamar](https://reader036.vdocuments.com.br/reader036/viewer/2022081507/552fc10d497959413d8c4b06/html5/thumbnails/38.jpg)
Spitzer Space Telescope
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PAH WORLD
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H
C
N
Recent detection of a PANH in the IRHudgins 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
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Generalized PANH Species
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![Page 43: Evolu ç ão da complexidade no universo -II. Um Universo Biofílico Martin Rees Our Cosmic Habitat Um universo hospitaleiro à vida – o que podemos chamar](https://reader036.vdocuments.com.br/reader036/viewer/2022081507/552fc10d497959413d8c4b06/html5/thumbnails/43.jpg)
Detecting PANHs through the 6.2 line
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From theRNA Worldto theAromatic World
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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 indefinida por evolução Darwiniana
• Cuidado com definições muito estritas da vida!!!