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Experimentelle Untersuchungen zum Wachstum von Planetesimalen in protoplanetaren Scheiben

Meisner, Thorsten

Im Kontext der Planetenentstehung wird auf die Theorie und deren experimentelle Bestätigung der Staubkoagulation eingegangen, um die Entwicklung von Planetesimalen in einer protoplanetaren Scheibe zu erklären. In dieser Arbeit werden hierzu Experimente zur Kollision von Staubagglomeraten vorgestellt und deren Ergebnisse diskutiert. Ziel dieser experimentellen Untersuchungen im Labor ist es, Aussagen treffen zu können, unter welchen Umständen Staubagglomerate bei Kollisionen zu größeren Körpern wachsen können. Auch die Beschaffenheit von Staubagglomeraten bezüglich deren Dichte und mechanischen Eigenschaften werden untersucht. Bei Kollisionen zwischen cm-großen Staubzylindern mit Relativgeschwindigkeiten von 1 m/s kann gezeigt werden, dass das jeweils stabilere (weniger poröse) Agglomerat Masse akkretiert, während der jeweils andere Staubzylinder in der Kollision fragmentiert. Es kann hierfür eine Akkretionsabhängigkeit bezüglich der Kollisionsgeschwindigkeit und der Dichtedifferenz beider stoßender Körper festgestellt und gemessen werden. Besonders die Differenz in der Dichte zweier gleich großer stoßender Staubkörper sind für die Entstehung von Planetesimalen in protoplanetaren Scheiben relevant. Die Stabilität von Staubagglomeraten in Kollisionen hängt von den mechanischen Eigenschaften des verwendeten Staubes ab. Staub ist kein wirklicher Festkörper, sondern gehört zur Form der granularen Materie. Für diese Form der Materie können in Experimenten die mechanischen Eigenschaften wie die Druckfestigkeit, die Zugfestigkeit sowie der Elastizitätsmodul bestimmt und quantifiziert werden. Ferner stellt sich in weiteren Experimenten zur Beschaffenheit des Staubes heraus, dass die Porösität im inneren Kern von cm-großen Agglomeraten in Kollisionen bei Geschwindigkeiten von 6 - 7m/s nahezu unverändert bleibt. Somit können angewachsene Staubagglomerate in protoplanetaren Scheiben durchaus einen sehr porösen inneren Kern beinhalten. Es erfolgt zudem eine Untersuchung von μm-großen Staubpartikeln bezüglich ihres Beitrags zum Wachstum von Staubagglomeraten in multiplen Kollisionen mit größeren Targets (im cm-Bereich) bei Kollisionsgeschwindigkeiten mit bis zu 70m/s. Hierbei wird das Wachstum eines Agglomerats durch 50 m/s schnell auftreffende Staubpartikel mit Hochgeschwindigkeitsaufnahmen genau beobachtet und nachgewiesen. In Impakten der Staubprojektile mit Kollisionsgeschwindigkeiten von 50 m/s konnten zudem cm-große Staubagglomerate aufgebaut und deren Dichte vermessen werden. Diese ist, wie zu erwarten, mit einem Volumenfüllfaktor von 38% etwas höher als bei Agglomeraten, welche mit Partikeln ”moderater“ (< 7 m/s) Geschwindigkeiten aufgebaut werden. Quantitativ wird der beobachtete Massenzuwachs mittels Akkretionseffizienzen beschrieben, welche bei verschiedenen Impaktgeschwindigkeiten der Staubprojektile vermessen werden. Es wird gezeigt, dass die Akkretionseffizienz reduziert wird, wenn die Kollisionsenergie der Staubprojektile zunimmt. Die Resultate dieser Arbeit bestätigen die Koagulationstheorie der Planetenentstehung und stehen für zukünftige Simulationen zur Verfügung. Die Theorie der Koagulation, aber auch die alternative Theorie zur Planetenentstehung, die der Gravitationsinstabilitäten, profitieren von den Ergebnissen und können präzisiert werden.

In the context of planet formation it is presented the theory of dust coagulation and its experimental confirmation to explain the formation of planetesimals in protoplanetary discs. For this, experiments on collisions of dust agglomerates are introduced and the results are discussed in this thesis. The aim of the experimental analysis in laboratory is to specify under which circumstances dust agglomerates could grow to larger bodies in collisions. Also the consistence of dust agglomerates related to the density and mechanical properties are investigated. At collisions between cm-sized dust cylinders with relative velocities of around 1 m/s it is presented that the more stable (less porous) agglomerate is accreting mass, while the other dust cylinder is fragmented. Related to the collision velocity and the difference in density of two colliding bodies a dependency of accretion is discovered and measured. Particularly the difference in density of two equal sized colliding dust agglomerates are relevant for the formation of planetesimals in protoplanetary discs. The stability of dust agglomerates in collisions depends on mechanical properties of the used dust. Dust is not a real solid body but belongs to the sort of granular material. For this sort of matter the mechanical properties like the compression strength, the tensile strength and the modulus of elasticity can be determined and quantified. In further experiments concerning the consistence of the dust it turned out that the porosity in the inner core of cm-sized agglomerates is unchanged in collisions at velocities around 6 - 7 m/s. Hence, grown dust agglomerates definitely can exist with a highly porous inner core. Furthermore an investigation of μm-sized dust particles is carried out concerning their contribution to the growth of dust agglomerates in multiple collisions with larger targets (cm-sized) at collision velocities up to 70 m/s. Here, the growth of an agglomerate by fast (with v = 50m/s) impinging dust particles is observed and proved by the use of a high speed camera. Additionally, cm-sized dust agglomerates can be build up in impacts of dust projectiles with a collision velocity of 50 m/s and their densities can be measured. As expected the density, represented by the volume filling factor, has a value of 38% and is a little bit larger than agglomerates, which are build up with particles possessing ”moderate“ (< 7 m/s) velocities. The determined growth of mass is quantatively described by accretion afficiencies which are measured at different impact velocities of the dust projectiles. It is shown that the accretion efficiency is reduced, if the collision energy of the dust projectiles will be increased. The results of this thesis confirm the theory of coagulation in context of planet formation and they are at theorists disposal for future simulations. The theory of coagulation but also alternative theories, like gravitational instabilities benefit from these results and can be defined more precisely.

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Meisner, Thorsten: Experimentelle Untersuchungen zum Wachstum von Planetesimalen in protoplanetaren Scheiben. 2014.

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