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Monte Carlo models of dust coagulation

Zsom, András

German Title: Monte-Carlo Modelle von Staub-koagulation

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Abstract

The thesis deals with the first stage of planet formation, namely dust coagulation from micron to millimeter sizes in circumstellar disks. For the first time, we collect and compile the recent laboratory experiments on dust aggregates into a collision model that can be implemented into dust coagulation models. We put this model into a Monte Carlo code that uses representative particles to simulate dust evolution. Simulations are performed using three different disk models in a local box (0D) located at 1 AU distance from the central star. We find that the dust evolution does not follow the previously assumed growth-fragmentation cycle, but growth is halted by bouncing before the fragmentation regime is reached. We call this the bouncing barrier which is an additional obstacle during the already complex formation process of planetesimals. The absence of the growth-fragmentation cycle and the halted growth has two important consequences for planet formation. 1) It is observed that disk atmospheres are dusty throughout their lifetime. Previous models concluded that the small, continuously produced fragments can keep the disk atmospheres dusty. We however show that small fragments are not produced because bouncing prevents fragmentation. 2) As particles do not reach the fragmentation barrier, their sizes are smaller compared to the sizes reached in previous dust models. Forming planetesimals from such tiny aggregates is a challenging task. We decided to investigate point 1) in more detail. A vertical column of a disk (1D) is modeled including the sedimentation of the particles. We find that already intermediate levels of turbulence can prevent particles settling to the midplane. We also find that, due to bouncing, the particle size distribution is narrow and homogenous as a function of height in the disk. This finding has important implications for observations. If it is reasonable to assume that the turbulence is constant as a function of height, the particles observed at the disk atmospheres have the same properties as the ones at the midplane.

Translation of abstract (German)

Diese Arbeit befasst sich mit der fr{"u}hesten Phase der Planetenentstehung, n{"a}mlich der Koagulation von mikrometer- hin zu millimetergross{}en Staubpartikeln in zirkumstellaren Scheiben. Als erste Studie dieser Art simulieren wir die Staubentwicklung in representative particle' Monte-Carlo-Simulationen unter Verwendung eines Kollisionsmodells, das die neuesten Laborexperimente ber{"u}cksichtigt. Die Simulationen verwenden drei verschiedene Scheibenmodelle in einer lokalen Box (0D) in einem Abstand von 1 AU vom Zentralstern. Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Staubentwicklung nicht dem bislang angenommenen Wachstums-Fragmentations-Zyklus folgt, sondern dass das Wachstum von abprallenden St{"o}ss{}en aufgehalten wird, bevor es das Fragmentationsregime erreicht. Wir bezeichnen dies als bouncing barrier', ein weiteres Hindernis im ohnehin schon komplexen Entstehungsprozess von Planetesimalen. Die Abwesenheit des Wachstums-Fragmentations-Zyklus und das unterbundene Teilchenwachstum haben zwei wichtige Konsequenzen f{"u}r die Entstehung von Planeten: 1) Beobachtungen zeigen, dass die Atmosph{"a}ren von Scheiben w{"a}hrend ihrer gesamten Lebenszeit staubig sind. Bisherige Modelle folgerten dass kontinuierliche Fragmentation diese kleinen Staubteilchen produziert und dadurch die Scheibenatmosph{"a}re staubig" h{"a}lt. Unsere Ergebnisse zeigen jedoch, dass kleine Fragmente gar nicht erst produziert werden, weil die Fragmentationsgrenze nicht erreicht wird. 2) Da Teilchen die Fragmentationsbarriere nicht erreichen, bleiben sie kleiner als in bisherigen Modellen. Die Entstehung von Planetesimalen aus solch kleinen Staubaggregaten ist eine herausforderungsvolle Aufgabe. Wir haben uns mit Punkt 1) n{"a}her befasst. Hierzu modellieren wir einen vertikalen Schnitt (1D) durch die Scheibe unter Ber{"u}cksichtigung von Staubsedimentation. Unsere Ergebnisse zeigen, dass schon eine moderat ausgeprägte Turbulenz die Sedimentation zur Mittelebene unterbinden kann. Des Weiteren fanden wir heraus, dass die Verteilung der Teilchengr{"o}ss{}e schmal und eine homogene Funktion der H{"o}he {"u}ber der Mittelebene ist. Dies hat wichtige Auswirkungen f{"u}r Beobachtungen: Unter der Annahme, dass die Turbulenz h{"o}henunabh{"a}ngig ist, haben die in der Scheibenatmosph{"a}re beobachteten Teilchen dieselben Eigenschaften wie diejenigen in der Mittelebene.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Dullemond, Prof. Dr. Cornelis
Date of thesis defense: 18 October 2010
Date Deposited: 11 Nov 2010 08:24
Date: 2010
Faculties / Institutes: Service facilities > Max-Planck-Institute allgemein > MPI for Astronomy
Subjects: 520 Astronomy and allied sciences
Uncontrolled Keywords: planet formation , dust coagulation
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