Vom Staubkorn zum Planeten

Transkript

1 Vom Staubkorn zum Planeten

2 1000 Dollar Frage: Wie entstehen aus feinverteilten, mikrometergroßen Staubpartikel Planeten? Größenzunahme um ~ 35 Größenordnungen! Auf welche Weise und wo konzentrieren sich Staubpartikel in der Scheibe? Unter welchen Bedingungen lagern sich Staubteilchen an um Koagulate zu bilden? Wie kommt es zum Staubwachstum? Welche Bedingungen müssen dafür vorhanden sein (Agglomeration)? Wie erfolgt die Umwandlung der Agglomerate in Planetsimale? Auf welche Weise entstehen aus Planetesimale planetare Körper? Kondensation Koagulation / Agglomeration Akkretion Konsolidierung

3 Entstehung einer Sub-Staubscheibe in der Disk-Ebene Staubteilchen mit Durchmessern im Mikrometerbereich (und kleiner) sind an das Scheibengas gekoppelt und werden mit ihm mitgeführt. Die Strömungsgeschwindigkeit liegt dabei unterhalb der Keplergeschwindigkeit bei einem gegeben Abstand r von Protostern. Die Viskosität des Gases führt zu einer Energiedissipation und damit zu einer einwärts gerichteten Drift in radialer Richtung. Dabei kann es zu einer Prozessierung des Staubes bis hin zu dessen Auflösung an der Staubzerfallsfront kommen. Dadurch, daß sich das Scheibengas in der Scheibenebene konzentriert (hydrodynamische Schichtung, Ausbildung einer Scheibenatmosphäre), ergibt sich eine gravitative Beschleunigungskomponente senkrecht zur Scheibenebene. Sie führt zur Absetzung von Staub und zur Ausbildung einer Staubscheibe mit einer geringeren Skalenhöhe als die des Scheibengases.

4 Staubkonzentration in der Scheibenebene Staub setzt sich in der Scheibenebene ab und konzentriert sich dabei Der Staub wird mit der viskosen Scheibenströmung in Richtung Protostern transportiert Es kommt zu Zusammenstößen der Staubpartikel mit geringen Relativgeschwindigkeiten Modifikation: Koagulation / Agglomeration Vertikale Bewegung kleiner und großer Partikel

5 Der Prozeß der Koagulation Unter Koagulation wird das Aneinanderhaften kleiner Festkörperpartikel infolge eines unelastischen Stoßes verstanden. Dabei müssen im Moment des Stoßes zwischen den Partikeln Anziehungskräfte wirken (z.b. van der Waals-Kräfte), die eine (wenn auch lockere) dauerhafte Bindung (Adhäsion) ermöglichen. Koagulate sind leicht zerbrechliche fraktale Gebilde Die Bindung der Teilchen wird durch schwache van der Waals-Kräfte realisiert Die Stoßgeschwindigkeiten ergeben sich aus den Relativgeschwindigkeiten der Stoßpartner Brownsche Bewegung

6 Die Koagulation von monomeren Staubpartikeln zu fraktalen Koagulaten ist ein sehr komplizierter Prozeß, der sich in seinen Einzelheiten nur schwer theoretisch fassen läßt und deshalb überwiegend experimentell untersucht wird. Problem: Unter welchen Bedingungen (Stoßgeschwindigkeiten) haften Staubpartikel aneinander? Relativgeschwindigkeiten / Partikelgröße / Haftwahrscheinlichkeit Unter welchen Bedingungen werden Koagulate kompaktiert oder gar zerstört? fraktale Dimension / Bruchfestigkeit Ziel ist es, die Parameterbereiche in Bezug auf Massen der Stoßpartner und ihrer Relativgeschwindigkeit zu ermitteln, wo sie haften, voneinander abprallen oder sich gar zerstören (fragmentieren) Experimentelle Staubforschung

7 Die Brownsche Bewegung als Ursache für die Relativgeschwindigkeiten sich stoßender Staubpartikel Die Brown sche Bewegung kann zu einer zufälligen Anlagerung von Teilchen führen diffusionsbegrenztes Wachstum fraktale Gebilde Wachstum GLEICHGEWICHT Fragmentation

8 Video Brownsche Bewegung

9 Ab einer gewissen Größe der fraktalen Gebilde spielt die Brownsche Bewegung nur noch eine untergeordnete Rolle beim weiteren Wachstum der Staubpartikel Agglomeration Der Begriff Agglomeration stammt ursprünglich aus der Verfahrenstechnik und beschreibt die allmähliche Vergrößerung eines Partikels durch Anlagerung weiterer Partikel. Im Fall der Planetenbildung treffen in der Agglomerationsphase locker aufgebaute Koagulate aufeinander, wobei sie wenn die Auftreffgeschwindigkeiten in einem günstigen Bereich liegen aneinander haftenbleiben. Auf diese Weise entstehen in einer ersten Stufe zentimetergroße, sehr locker aufgebaute Staubbrocken, die wiederum durch unelastische Stöße weiter wachsen können. Dir Relativgeschwindigkeiten ergeben sich hier nicht mehr aus der zufälligen Brownschen Molekularbewegung, sondern z.b. durch die Absetzgeschwindigkeiten unterschiedlich großer Koagulate in der Staubscheibe. Analogon: Wachstum von Wassertropfen beim Fall durch eine Wolke

10 Wichtige Fragestellungen zur Koagulation / Agglomeration Warum und mit welchen Geschwindigkeiten stoßen Staubpartikel im kosmischen Raum überhaupt zusammen? Unter welchen Bedingungen bleiben sie aneinander haften (stick) bzw. werden Koagulate / Agglomerate wieder zerstört? Wie sehen die Strukturen aus, die aneinander haftende Staubpartikel bilden? Wie sieht die Energiebilanz bei Stößen aus? Welchen Einfluß hat die räumliche Struktur der Staubteilchen, Koagulate / Agglomerate darauf? Wie sieht die weitere Entwicklung von Koagulaten und Agglomeraten aus? Unter welchen Bedingungen können sie zu makroskopischer Größe anwachsen und sich schließlich in Planetesimale umwandeln? Die Theorie kann nur Idealisierungen abbilden (Smoluchowski-Gleichung). Deshalb ist die Beantwortung dieser Fragen eine Domäne der experimentellen Staubforschung.

11 Experimentelle Staubforschung Fallversuche mit Staubkuchen Herstellung von Staubkuchen

12 Verschmelzung und Kompaktierung Abprallen und Fragmentation Kompaktierung und Abprallen

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15 Domänendiagramm, daß sich aus Stoßversuchen ergibt Derartige Diagramme werden parametrisiert nach Masseverhältnis und Porosität in Bereichs-Ungleichungen überführt und in numerischen Scheibenmodellen zur Simulation der Planetesimalbildung verwendet.

16 Das Zentimeter - Dezimeter-Problem Ab einer Größe im Zentimeter bis Dezimeterbereich führen fast alle Stöße zum Abprallen der Stoßpartner. Das Wachstum der Agglomerate kommt dabei praktisch zum Stillstand. Wie läßt sich diese Hürde überwinden?

17 Der Goldreich Ward-Mechanismus Grundidee: Staubpartikel setzen sich durch vertikale Absetzbew4egungen und radiale Drift in der Scheibenebene ab und bilden dort eine Sub-Staubscheibe, deren Dichte mit der Gasdichte vergleichbar wird. Die Dynamik der Scheibe wird jetzt durch zwei Medien unterschiedlicher Dichte bestimmt, was unter gewissen Voraussetzungen (Toomre-Q) zu gravitationsbedingte Instabilitäten führt. Leichte Turbulenzen können die Agglomeration von zentimeter- bis dezimetergroßen Aggregationen befördern, die dann schnell die Größe erreichen (ca. 10 km), wo sie aktiv aus der Umgebung Staub einsammeln können. Auf diese Weise soll die Sub-Staubscheibe schnell zu Planetesimale zerfallen. Nachteil: Der Mechanismus funktioniert bei realen Scheiben nicht...

18 Klassischer Goldreich-Ward- Mechanismus Die Existenz einer dichten Staubscheibe führt zur Anregung von Turbulenzen, welche die Erfüllung der Toomre- Bedingung unmöglich machen, es sei denn, weitere Mechanismen (z.b. spezielle Wirbelbildungen) führen zu lokalen Staubkonzentrationen...

19 Die Akkretionsphase der Planetenbildung Ab einer Größe von ~ 10 km übersteigt der Kollisionsquerschnitt mehr und mehr den geometrischen Querschnitt Gravitatives Aufsammeln von Staub Oligarches Wachstum Simulation der Entstehung von Protoplaneten aus Protoplanetenkeimen Entstehung von Protoplaneten

20 Nächstes Mal: Akkretionsphase und Konsolidierungsphase der Planetenbildung