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Kollisionen von Dezimeter-Körpern in der Planetenentstehung

Deckers, Johannes

Planeten entstehen in protoplanetaren Scheiben, bestehend aus Gas und Staub, um einen neu entstandenen jungen Stern. Beobachtungen ebenso wie Experimente und Simulationen haben bereits eine Fülle an Erkenntnissen zu den vielfältigen bei der Planetenentstehung relevanten Prozessen geliefert. Dennoch bleiben gerade beim Zwischenschritt der Planetesimalentstehung – Objekte von einigen Kilometer Größe, deren Gravitation ausreichend groß ist um kleinere Körper an sich zu binden und so weiter zu wachsen – eine ganze Reihe von bislang ungelösten Fragen offen. Kollisionen spielen in diesem Zusammenhang eine wichtige Rolle, denn die diversen Wechselwirkungen zwischen Gas und Teilchen führen zu Relativgeschwindigkeiten und damit zu Kollisionen. Wachstum bis zu Millimeter großen Agglomeraten lässt sich noch recht gut erklären, denn hier sind Relativgeschwindigkeiten noch vergleichsweise klein und Kollisionen enden mit Haftung. Für größer werdende Agglomerate ist dies jedoch nicht mehr immer der Fall, vielmehr resultieren Kollisionen in Abprallen oder gar Fragmentierung der Agglomerate. Im Rahmen dieser Arbeit wurden daher unterschiedliche Kollisionsexperimente durchgeführt, deren Ergebnisse werden im Hinblick auf die Planetenentstehung diskutiert. Dabei werden Kollisionen von porösen Staubagglomeraten, relevant für den inneren Bereich einer protoplanetaren Scheibe, ebenso analysiert, wie die Kollisionen von solidem Wassereis. Nahe am Stern sind die Temperaturen so hoch, dass Wasser verdampft und nicht in fester Form vorliegt. Je weiter man sich vom Stern entfernt, umso tiefer fallen die Temperaturen. In diesen Bereichen der Scheibe spielt Wasser eine entscheidende Rolle, da es auf bereits vorhandene Partikel kondensiert und deren Kollisionseigenschaften maßgeblich bestimmt. Die Planetenentstehung lässt sich natürlich nicht komplett im Labor nachstellen. Aus den Experimenten erhält man jedoch ein besseres Verständnis für das Verhalten der Agglomerate in Kollisionen. Die Ergebnisse der Experimente bilden somit die Basis für Modelle, die in Simulationen die Entwicklung der Körper in einer protoplanetaren Scheibe verfolgen. Die Grenzbedingung zur Fragmentierung ist dabei ebenso interessant wie die Größenverteilung der in solch einer Kollision entstehenden Fragmente. Einige Modelle bemühen sich, die Fragmentierung in Kollisionen gleich großer Agglomerate zu umgehen, indem sie Massentransfer in Kollisionen unterschiedlich großer Agglomerate berücksichtigen. Bei solch einer Kollision wird der kleinere Kollisionspartner zerrissen, ein kleiner Teil seiner Masse haftet jedoch am größeren Körper. Dieser Effekt wurde bereits in anderen Experimenten beobachtet und wird hier auf Dezimeter große Ag-glomerate erweitert. Dabei wird jedoch, im Gegensatz zu bisherigen Studien, nicht nur Massentransfer bei Kollisionen poröser Staubagglomerate beobachtet. Vielmehr wird in dieser Arbeit Massentransfer auch in Kollisionsexperimenten von solidem Eis quantitativ analysiert.

Planets are formed from the gas and dust of protoplanetary discs around young stars. Observations of these discs as well as simulations and experiments have provided considerable insight into the processes involved in planet formation, but have not been able to answer all open questions. The formation of planetesimals – kilometer sized objects that are barely massive enough to gravitationally bind smaller objects – remains a mystery. The collision dynamics of bodies within the protoplanetary disc are crucial, as the interaction between gas and dust leads to relative velocities. These are rather low for micrometer sized particles, so hit-and-stick collisions dominate. Once particles reach the millimeter size range, bouncing starts be become a normal outcome of a collision. Several experiments were conducted in order to investigate the collision dynamics of centimeter and decimeter sized agglomerates further. The results of these experiments as well as their application to planetesimal formation are discussed in this study. The experiments analyse collisions of porous dust agglomerates as well as collisions of solid ice. Icy planetesimal formation is believed to be important, because water ice is stickier than silicates. Sublimation and condensation processes at the snowline – the distance to the central star where temperatures are low enough for water ice to exist – form bodies of solid ice. Laboratory experiments can not reproduce the complete process of planet formation, but they can provide important input for models by investigating the collision dynamics of bodies within a protoplanetary disc. The experimental results are essential for models that simulate the evolution of these bodies. The boundary conditions to fragmentation as well as the fragment size distribution are among the parameters that are crucial for the simulations. Mass transfer in collisions of bodies of different size – a small part of the smaller bodies mass sticks to the bigger body after the collision – has been proposed by some models in order to circumvent fragmentation in mutual collisions. A few experiments have already studied mass transfer, mostly focussing on millimeter to centimeter sized dust agglomerates. These studies will be extendended to porous decimeter sized dust agglomerates as well as to mass transfer in collisions of solid ice. The conditions for mass transfer as well as the accretion efficiency will be analysed.

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Deckers, Johannes: Kollisionen von Dezimeter-Körpern in der Planetenentstehung. 2016.

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