Magnetische und Elektrostatische Aggregation in der Planetenentstehung

Die Entstehung von Planeten in der protoplanetaren Scheibe ist wesentlich durch Wachstum in Kollisionen bis zur Bouncing Barrier geprägt, die eine direkte Haftung von Staubpartikeln im Größenbereich weniger Millimeter unterbindet. Die weitere Entwicklung ist vom Wirken hydrodynamischer Prozesse abhängig, die Partikel konzentrieren und deren Einsetzen eine Mindestgröße von Aggregaten jenseits der Bouncing Barrier erfordert.

Der im Zuge dieser Arbeit entwickelte Levitationsaufbau ermöglicht die Untersuchung nahezu frei wechselwirkender Aggregate und Cluster aus Quarz- und Eisenstaub. Die durch Hit-and-Stick dominierte Entwicklung kleiner Aggregate ist von ihrer Zusammensetzung aus Quarz und Eisen beeinflusst und abhängig von entsprechenden Oberflächenenergien variiert die Clustergröße an der Bouncing Barrier. Trotz temporär haftender Kontakte ist jedoch kein stabiles Wachstum von Clustern über den Millimeter-Bereich hinaus zu beobachten, da gewachsene Strukturen in nachfolgenden Kollisionen wieder dissoziiert werden. Die Ergebnisse bestätigen damit deutlich die Existenz und Robustheit der Bouncing Barrier.

Im protoplanetaren Magnetfeld dagegen können magnetische Dipolkräfte die Interaktion von Aggregaten mit einem signifikanten Eisenanteil modifizieren. So zeigen Levitationsexperimente in einem Feld weniger Millitesla die Bildung kettenförmiger Cluster, deren Ausprägung mit wachsendem Eisengehalt sowie steigendem Magnetfeld zunimmt. Dieser Trend ist auch in Anwesenheit unmagnetischer Quarzaggregate erkennbar, sofern eine Mindestmenge magnetisierbaren Materials vorhanden ist. Das selektive Wachstum größerer, eisenreicher Cluster kann bis in das für Mechanismen zur Partikelkonzentration zugängliche Größenregime reichen. Magnetische Aggregation trägt somit zum Verständnis des im Sonnensystem vorhandenen radialen Eisengradienten als auch der Entstehung eisenreicher Planeten wie Merkur bei.

Darüber hinaus verdeutlichen im Rahmen dieser Arbeit für den Betrieb auf der Internationalen Raumstation sowie im Fallturm konzipierte Mikrogravitationsexperimente das Potential elektrostatischer Wechselwirkung zur Überwindung der Bouncing Barrier. Dabei bilden triboelektrisch aufgeladene Probenpartikel stabile Cluster bis zu einer Größe von 5 cm. Dieses erstmals bis in den Bereich mehrerer Zentimeter beobachtete, ladungsinduzierte Wachstum stellt einen vielversprechenden Ansatz dar, um den Übergang von der Bouncing Barrier bis zum Einsetzen hydrodynamischer Mechanismen wie der Streaming Instability zu erklären.

Planet formation in protoplanetary disks is essentially based on collisional growth until reaching the bouncing barrier, which prevents dust particles from becoming larger than a few millimeters. Further evolution depends on hydrodynamic processes that require a minimum aggregate size beyond the bouncing barrier to set in.

The levitation setup developed in the course of this work allows the investigation of almost freely interacting aggregates and clusters composed of quartz and iron dust. The evolution of small aggregates is dominated by hit-and-stick collisions. The final cluster size at the bouncing barrier varies depending on the composition, as sticking properties are determined by the corresponding surface energies. Despite temporary sticking events, no stable growth of clusters beyond the millimeter range is observed, since grown structures are dissociated again in subsequent collisions. These results clearly confirm the existence and robustness of the bouncing barrier.

In the magnetic field of protoplanetary disks, magnetic dipole forces can modify the
interaction of aggregates containing a significant amount of iron. Levitation experiments in a field of a few millitesla show the formation of chain-like clusters that become more dominant with increasing iron content and increasing magnetic field. This trend is also observed in the presence of nonmagnetic quartz aggregates, provided that a minimum amount of magnetizable material is present. The selective growth of larger, iron-rich clusters can extend into the size regime accessible to particle concentration mechanisms. Magnetic aggregation may thus contribute to the understanding of the radial iron gradient present in the solar system as well as the formation of iron-rich planets such as Mercury.

Furthermore, microgravity experiments designed for operation on the International
Space Station as well as in the drop tower illustrate the potential of electrostatic interaction to overcome the bouncing barrier. For the first time, charge-induced aggregation is observed in the range of several centimeters. The process thus represents a promising approach to explain growth beyond the bouncing barrier to sizes where hydrodynamic mechanisms such as streaming instabilities set in.

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