Zugl.: Fairfax, George Masion University, Diss., 2005 / Hergestellt on demand

Raman spectroscopy is a powerful tool for identification both inorganic and organic compounds including microbial biomolecules. Together with the fact, that it is considered to be the important nondestructive instrument for use on Mars within future robotic missions, it is necessary to assess its capabilities in scenarios relevant for both Martian and terrestrial conditions. In this work, the potential of Raman spectrometry was tested - including both bench-top laboratory systems as well as portable counterparts - to detect traces of life within evaporitic matrices through biomolecular identification. Due to their chemical and physical nature resulting in optical properties, pigments are important organic compounds in Raman spectroscopic analysis using visible excitation. Hence in this work we have focused on the Raman spectroscopic identification of pigments as biomarkers with relevance for investigation of life in both extreme terrestrial and potentially extraterrestrial environments. Results of methodical work are presented in Appendices I to III, dealing particularly with β-carotene as a model carotenoid pigment. The concentration limits of this biomarker in three different evaporitic matrices (halite, gypsum and epsomite) have been determined for artificially prepared powdered mixtures alone...

In der vorliegenden Arbeit werden Methoden der Erdsystemanalyse auf die Untersuchung der Habitabilität terrestrischer Exoplaneten angewandt. Mit Hilfe eines parametrisierten Konvektionsmodells für die Erde wird die thermische Evolution von terrestrischen Planeten berechnet. Bei zunehmender Leuchtkraft des Zentralsterns wird über den globalen Karbonat-Silikat-Kreislauf das planetare Klima stabilisiert. Für eine photosynthetisch-aktive Biosphäre, die in einem bestimmten Temperaturbereich bei hinreichender CO2-Konzentration existieren kann, wird eine Überlebenspanne abgeschätzt. Der Abstandsbereich um einen Stern, in dem eine solche Biosphäre produktiv ist, wird als photosynthetisch-aktive habitable Zone (pHZ) definiert und berechnet. Der Zeitpunkt, zu dem die pHZ in einem extrasolaren Planetensystem endgültig verschwindet, ist die maximale Lebenspanne der Biosphäre. Für Supererden, massereiche terrestrische Planeten, ist sie umso länger, je massereicher der Planet ist und umso kürzer, je mehr er mit Kontinenten bedeckt ist. Für Supererden, die keine ausgeprägten Wasser- oder Landwelten sind, skaliert die maximale Lebenspanne mit der Planetenmasse mit einem Exponenten von 0,14. Um K- und M-Sterne ist die Überlebensspanne einer Biosphäre auf einem Planeten immer durch die maximale Lebensspanne bestimmt und nicht durch das Ende der Hauptreihenentwicklung des Zentralsterns limitiert. Das pHZ-Konzept wird auf das extrasolare Planetensystem Gliese 581 angewandt. Danach könnte die 8-Erdmassen-Supererde Gliese 581d habitabel sein. Basierend auf dem vorgestellten pHZ-Konzept wird erstmals die von Ward und Brownlee 1999 aufgestellte Rare-Earth-Hypothese für die Milchstraße quantifiziert. Diese Hypothese besagt, dass komplexes Leben im Universum vermutlich sehr selten ist, wohingegen primitives Leben weit verbreitet sein könnte. Unterschiedliche Temperatur- und CO2-Toleranzen sowie ein unterschiedlicher Einfluss auf die Verwitterung für komplexe und primitive Lebensformen führt zu unterschiedlichen Grenzen der pHZ und zu einer unterschiedlichen Abschätzung für die Anzahl der Planeten, die mit den entsprechenden Lebensformen besiedelt sein könnten. Dabei ergibt sich, dass komplex besiedelte Planeten heute etwa 100-mal seltener sein müssten als primitiv besiedelte. / In this thesis methods of Earth system analysis are applied to the investigation of the habitability of terrestrial exoplanets. With the help of parameterized convection models for the Earth the thermal evolution of terrestrial planets is calculated. Under increasing central star luminosity the global carbonate-silicate cycle stabilizes the planetary climate. The life span of a photosynthetic-active biosphere existing in a certain temperature interval under adequate CO2 concentration is estimated. The range of orbital distances within which such a biosphere is productive is defined as the photosynthetic-active habitable zone (pHZ) and is calculated. The maximum life span of the biosphere is the point in time when the pHZ of an extrasolar planetary system finally disappears. For super-Earths, i.e. massive terrestrial planets, it is as longer as more massive the planet is and as shorter as more the planet is covered with continents. For super-Earths, which are not pronounced land or water worlds, the maximum life span scales with the planetary mass with an exponent of 0.14. The life span of the biosphere on a planet around K- or M-stars is always determined by the maximum life span and not limited by the end of the main-sequence evolution of the central star. The pHZ approach is applied to the extrasolar planetary system Gliese 581. Accordingly the super-Earth of 8 Earth masses Gliese 581d could be habitable. Based on the presented pHZ concept the Rare Earth Hypothesis established by Ward and Brownlee 1999 is quantified for the Milky Way. This hypothesis claims that complex life may be very rare in the Universe while primitive life is likely common and widespread. Different temperature and CO2 tolerances as well as a different influence on weathering of complex and primitive life forms result different boundaries of the pHZ and a different estimate of the number of planets potentially harboring these different life forms. It arises that planets with complex life might be 100 times rarer than primitive life bearing planets.

La découverte de plus de 900 planètes autour d’autres étoiles que le Soleil rend notre époque excitante. Ces systèmes planétaires nous ont fait changer notre perception du monde qui était jusqu’alors basée sur nos connaissances du système solaire. Certains systèmes détectés sont beaucoup plus compacts que notre système solaire et les planètes se trouvent extrêmement proches de leur étoile. Pour comprendre la structure de ces systèmes et leur évolution, il est important d’étudier les effets de marée.Les missions d’observations des exoplanètes commencent à détecter des planètes de moins en moins massives dans la zone autour d’une étoile appelée zone habitable. La zone habitable est définie comme la plage de distances orbitales pour laquelle une planète ayant une atmosphère peut avoir de l’eau liquide à sa surface. L’étude du climat des exoplanètes, étant donné un flux et un spectre stellaire, est importante pour la caractérisation de l’atmosphère de ces exoplanètes (que JWST sera en mesure de faire).Dans cette thèse, ces problématiques d’évolution dynamique de systèmes planétaires et de climats de planètes sont développées pour le cas de systèmes planétaires orbitant des naines brunes et des étoiles de faible masse dans le but futur de contraindre des paramètres des modèles de marée ou des observations. Dans un premier temps, j’ai traité le cas de l’évolution par effet de marée d’une planète orbitant une naine brune, une naine M ou une étoile de type solaire dont l’évolution du rayon est prise en compte. L’objectif était d’étudier l’influence de la contraction de l’étoile (ou naine brune) sur l’évolution orbitale des planètes. Dans un deuxième temps, j’ai cherché à étudier l’influence des effets de marée sur l’évolution dynamique d’un système multiplanétaire orbitant une naine brune, une naine M ou une étoile de type solaire dont l’évolution du rayon est aussi prise en compte.Ces deux projets permettent d’aborder le problème de l’habitabilité des planètes au- tour de ces objets, en particulier autour des naines brunes qui refroidissent avec le temps. En effet, une planète se trouvant dans la zone habitable d’une naine brune se situe suffisamment proche de la naine brune pour ressentir l’influence des effets de marée. Ainsi, des paramètres importants pour l’étude des climats sont en partie déterminés par les effets de marée – paramètres comme l’excentricité et l’obliquité entre autres. Dans cette thèse, cette problématique est succinctement abordée en vue d’une poursuite en post-doctorat. / The discovery of more than 900 planets orbiting other stars than our Sun makes this period very exciting. Our knowledge which was based on the Solar System has been challenged by new planetary systems which are very different from our system. Some of them are much more compact than the Solar System. Some planets are located extremely close-in from their star, within the orbital distance of Mercury, in a region where tidal effects are important. Understanding the structure of the known exoplanetary systems and the future ones requires to take into account the physics of tidal evolution.The missions dedicated to the finding of exoplanets are beginning to detect less massive planets in the habitable zone of their host star. The habitable zone is here defined as the range of orbital distances where a planet with an atmosphere can sustain liquid water at its surface. The study of the climate of exoplanets, given a stellar flux and spectra, is important for the characterization of planetary atmosphere – which JWST will make possible.This thesis provides a study of the dynamical and tidal evolution of planetary systems orbiting evolving brown dwarfs and low mass stars in order to constrain some tidal parameters and in the case of planets around brown dwarfs put some constrains on observability. First, I studied the tidal evolution of single-planet systems orbiting a brown dwarf, a M-dwarf or a Sun-like star whose radius evolution is taken into account. The aim of this study was to study the influence of the contraction of the brown dwarf or star on the orbital evolution of the planets. Second, I endeavored to study the tidal evolution of multiple-planet systems orbiting a brown dwarf, a M-dwarf or a Sun-like star whose radius evolution is also taken into account.These two projects allow me to study the question of the habitability of planets orbiting those objects, in particular orbiting brown dwarfs which are known to cool down with time. A planet orbiting a brown dwarf in its habitable zone is sufficiently close to the brown dwarf to feel tidal effects. So parameters such as the eccentricity or obliquity, which are important for the climate are partially determined by tides. In this thesis, this question is briefly addressed but will be deepened in a future post-doc.

La découverte de plus de 900 planètes autour d'autres étoiles que le Soleil rend notre époque excitante. Ces systèmes planétaires nous ont fait changer notre perception du monde qui était jusqu'alors basée sur nos connaissances du système solaire. Certains systèmes détectés sont beaucoup plus compacts que notre système solaire et les planètes se trouvent extrêmement proches de leur étoile. Pour comprendre la structure de ces systèmes et leur évolution, il est important d'étudier les effets de marée.Les missions d'observations des exoplanètes commencent à détecter des planètes de moins en moins massives dans la zone autour d'une étoile appelée zone habitable. La zone habitable est définie comme la plage de distances orbitales pour laquelle une planète ayant une atmosphère peut avoir de l'eau liquide à sa surface. L'étude du climat des exoplanètes, étant donné un flux et un spectre stellaire, est importante pour la caractérisation de l'atmosphère de ces exoplanètes (que JWST sera en mesure de faire).Dans cette thèse, ces problématiques d'évolution dynamique de systèmes planétaires et de climats de planètes sont développées pour le cas de systèmes planétaires orbitant des naines brunes et des étoiles de faible masse dans le but futur de contraindre des paramètres des modèles de marée ou des observations. Dans un premier temps, j'ai traité le cas de l'évolution par effet de marée d'une planète orbitant une naine brune, une naine M ou une étoile de type solaire dont l'évolution du rayon est prise en compte. L'objectif était d'étudier l'influence de la contraction de l'étoile (ou naine brune) sur l'évolution orbitale des planètes. Dans un deuxième temps, j'ai cherché à étudier l'influence des effets de marée sur l'évolution dynamique d'un système multiplanétaire orbitant une naine brune, une naine M ou une étoile de type solaire dont l'évolution du rayon est aussi prise en compte.Ces deux projets permettent d'aborder le problème de l'habitabilité des planètes au- tour de ces objets, en particulier autour des naines brunes qui refroidissent avec le temps. En effet, une planète se trouvant dans la zone habitable d'une naine brune se situe suffisamment proche de la naine brune pour ressentir l'influence des effets de marée. Ainsi, des paramètres importants pour l'étude des climats sont en partie déterminés par les effets de marée - paramètres comme l'excentricité et l'obliquité entre autres. Dans cette thèse, cette problématique est succinctement abordée en vue d'une poursuite en post-doctorat.