Rosetta

Rosetta: waar komt het water in
onze oceanen vandaan?
Ewine F. van Dishoeck
Sterrewacht Leiden
24 februari 2016
Kernvraag: hoe zijn ‘wij’ 4.5 miljard jaar
geleden gevormd?
Komeet
Rosetta
Meteorieten
Meteorieten en kometen zijn bodes uit het vroege zonnestelsel
Ons zonnestelsel is geboren in een
interstellaire wolk
Carina nebula
NASA/ HST
- Diameter wolken: enkele lichtjaar; Massa: ~104 MSun
- Wolken zijn donker omdat ze kleine stofdeeltjes bevatten
Interstellaire stofdeeltjes
Silicaten, ‘grafiet’
Stofdeeltje met ijsmantel 0.1 µm
- Stofdeeltjes absorberen en verstrooien UV straling → beschermen moleculen
- Water en complexe moleculen worden gevormd op stofdeeltjes
Periodiek systeem voor astronomen
0.1
1.0 qua aantal
4 10-5
3 1
5 10-4
4
1 10-5
4 10-5
Stof deeltjes: 10-12 qua aantal
B. McCall 2001
Vorming van water op stofdeeltjes
Gebaseerd op Leiden experimenten
Sackler laboratorium
Cuppen, Linnartz et al. 2010
Vorming van sterren en planeten
Zoom-in
Jonge ster
Schijf
B. Saxton
NRAO
Van wolk tot komeet
Carina nebula
NASA/ HST
Artist implression
schijf NASA/JPL/
R. Hurt
Moleculen: Wolken → Schijf → Planeten, kometen
Samenstelling kometen = samenstelling oerwolk?
Ruimte telescopen
ISO
Spitzer
Groot deel van straling water uit ruimte wordt
geblokkeerd door atmosfeer (i.h.b. H2O, O2 en CO2)
Herschel
2009-2013
HIFI instrument - SRON
Eerste detectie water reservoir in schijf
Herschel-HIFI
p-H2O 111-000
1113 GHz
o-H2O 110-101
557 GHz
Schijf heeft voldoende water voor 6000 oceanen
Hogerheijde et al.
2011, Science
Vorming planetesimalen in schijven
Zie filmpje
Van stof tot planeten
stof, bakstenen
< meters
Kometen
Planetesimalen
kilometers
Planeet embryos
Maan (1 AU)-to-Mars (2 AU) grootte
NASA
©J. Lunine
Kometen: ijzige rotsblokken
Bodes uit ons vroege zonnestelsel
Komeet
Hale-Bopp
E. Kolmhofer, H. Raab www.sternwarte.at
Kometen zijn restanten planetesimalen die het niet tot een planeet hebben gemaakt
Brengen 4.5 miljard jaar door in koude buitendeel van ons zonnestelsel
Hebben kometen water en organische moleculen op aarde gebracht?
Komeet 67 P/C-G
Jets
Stof / ijs ~1
Typisch 2 glazen water per seconde
Max 5 liter water per seconde
Instrumenten op orbiter
Mass spectrometer
Dust analyzer
Ion analyzer
Dust imaging
Mm spectroscopy
Radio Sounding
Plasma
O/IR spectroscopy
O/IR imaging
UV spectroscopy
Plasma magnetism
ROSINA team
Katrin Altwegg
Hans Balsiger, Andre Beler
ROSETTA has a very good nose (DFMS)
ROSETTA nose
(DFMS)
67P
© A. Bieler
Hoge massa resolutie → unieke
identificatie
m/z-28: CO vs N2
m/z=19: HDO vs H217O en 18OH
m/∆m>1500
Spacecraft achtergrond
ROSINA: Altwegg et al. 2014
Rubin et al. 2015
ROSETTA has a very good nose (DFMS)
Why is this there??
ROSETTA nose
(DFMS)
67P
ROSETTA has a very good nose (DFMS)
Why is this there??
And so much of it?
ROSETTA nose
(DFMS)
67P
Komeet bevat verrassend veel O2!
O2/H2O=
3.7±1.5%
10x meer
dan verwacht
Bieler et al. 2015,
Nature, October 29
Geen O3
Rubin et al. 2015,
ApJ Letters Halley
Is ons zonnestelsel in een vrij warme wolk geboren?
20-30 K
vs 10 K
Oorsprong water op aarde
ESA/NASA/Herschel
Herschel-HIFI komeet Hartley 2:
Zelfde verhouding: HDO/H2O=1.5 10-4
HDO/H2O in wolken en bij komeet
HIFI
Hartley 2
ESA/NASA/
Herschel
Hartogh et al. 2011, Nature
Waarom water?
 Chemie van leven speelt zich af in water
 Onze cellen zijn voornamelijk water
 Leven ontstaat in water
 Geologie en klimaat van onze aarde (en dat van
exo-planeten) wordt bepaald door water
 …..
wikipedia
Belang van de water ijslijn
Akeson 2011
Waterijs versnelt vorming van (reuze) planeten
Sneeuwlijn op aarde
image credit: NOAO +
Jack Cook (Woods Hole) & Howard Perlman (USGS)
Alles bij-elkaar heeft aarde
niet zoveel water
71% oppervlak
bedekt met water
Volume 1.4x109 km3
Water reservoirs in ons zonnestelsel
Aarde
Morbidelli et al. 2012
vD et al. 2014
-
Aarde heeft meer water dan huidige asteroiden in zijn omgeving
Oorspronkelijke water afwezig of verdampt, moet later worden aangeleverd
Chaos in ons vroege zonnestelsel
Gomes et al. 2005
You Tube Nice model
Hoe komen water-rijke planetesimalen bij aarde?
J
S
Water rijk
Eccentriciteit
Water arm
Asteroide Gordel
Droog
Aarde
Nat
Afstand tot ster
Grand Tack scenario
Walsh et al. 2011
Maan
HDO/H2O als diagnostiek
Aarde (H2O)
Fractionatie
Oernevel (H)
IS wolk (H)
D/H ~ 2.7 x 10-5 bij Oerknal
~ 2.5 x 10-5 bij vorming zonnestelsel 4.5 miljard jaar geleden
~ 2.3 x 10-5 in interstellaire wolken nu
Kern
fusie
Fractionatie
 Verhouding D/H in molecuul is veel
hoger dan totale D/H in gas
 bv. ND3/NH3=10-2 (waargenomen)
i.p.v. (2x10-5)3 =10-14
}12 ordes van grootte!
 Komt veel voor in koude wolken
 Temperatuur <20 K drijft reacties richting
deuterium
HDO/H2O als diagnostiek
Maan
Kometen
Jupiter
familie
Hartley2
Oort wolk
Aarde
Oernevel
IS wolk
- Alle kometen hebben HDO/H2O binnen factor 2 van Aarde
- Oorsprong maakt niet uit (67 P hoog → primitief!)
- Dynamica: meer asteroiden dan kometen op jonge aarde
67 P value:
Altwegg et al.
2014
HDO/H2O als diagnostiek
Maan
Kometen
Jupiter
familie
H2
Protosterren
Oort wolk
Aarde (H2O)
Oernevel (H)
IS wolk (H)
- HDO/H2O protosterren binnen factor 2 van Aarde
- Is HDO/H2O al bepaald in de interstellaire wolk?
‘Water older than the Sun’ (Cleeves et al. 2015)
Protosterren
Persson et al.
2014
HDO/H2O in ons zonnestelsel
Hoog
HDO/H2O
Aarde
Morbidelli et al. 2012
vD et al. 2014
-
Gradient over zonnestelsel
Hoe komen water-rijke planetesimalen bij aarde?
J
S
Water rijk
Eccentriciteit
Water arm
Hoog HDO/H2O)
Asteroide Gordel
Droog
Aarde
Planetesimalen
(o.a. kometen)
Nat
Afstand tot ster
Walsh et al. 2011
Rosetta: de rosetta steen voor
begrip van onze oorsprong?
?
Samenvatting
 Water wordt overal in de donkere wolken in
de ruimte gevormd
 Wolken storten ineen om nieuwe sterren en
planeten te vormen
 Meeste jonge sterren hebben voldoende materiaal
om planetenstelsel te vormen
 Water kan door inslagen van kometen en
asteroiden op nieuwe planeet worden gebracht
 Rosetta geeft voor het eerst in situ informatie
over vroege zonnestelsel; 67 P primitief
Water ouder dan de aarde
Acknowledgments
• Figuren en filmpjes van:
– European Southern Observatory
www.eso.org
– NASA/Hubble Space Telescope
hubblesite.org
– NASA/Spitzer Space Telescope
www.spitzer.caltech.edu
– ESA/Herschel Space Observatory
herschel.esac.esa.int
– ESA Rosetta mission to comet
sci.esa.int/rosetta/
Links naar filmjes
• http://www.spitzer.caltech.edu/video-audio/691-ssc2004-08v3Forming-a-Planetary-Gap
• http://www.spitzer.caltech.edu/video-audio/689-ssc2004-08v2-IcyOrganics-in-Planet-Forming-Disks
• http://hubblesite.org/newscenter/archive/releases/2010/29/video/a/
• http://www.eso.org/public/videos/eso1248a/
• Rosetta: zie ESA Rosetta website
• Water vorming: Zie www.strw.leidenuniv.nl/WISH, klik op
outreach