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Studying the Formation of Protoplanets : A new Hybrid Code for Planetesimal Dynamics

Glaschke, Patrick

German Title: Studium der Entstehung von Protoplaneten : ein neues Simulationswerkzeug

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Abstract

Diese Arbeit präsentiert neuartige Simulationen zur Entstehung von Planeten, wobei der Schwerpunkt auf der Entstehung von Protoplaneten aus Planetesimalen liegt. In diesem Stadium wird die Entwicklung des System von Kollisionen und Zwei-Körper-Streuungen bestimmt, die eine sorgfältige Modellierung der Entwicklung der Geschwindigkeitsdispersion und der Größenverteilung über den ganzen Größenbereich erfordern. Zu diesem Zweck wurde ein neues Hybridprogramm entwickelt, genannt Nbody6Disc, um den vollen Größenbereich von kilometergroßen Planetesimalen bis zu Protoplaneten abzudecken. Es vereint die Vorteile eines N-Körper-Ansatzes zur Integration der größeren Körper mit einem zusätzlichen statistischen Modell zur Beschreibung der kleineren Planetesimale. Dieses Programm wird auf die Entstehung von Protoplaneten angewendet. Die Simulationen zeigen kein Beenden der protoplanetaren Akkretion durch die Entstehung von Lücken in der Planetesimalverteilung, sondern nur schwache Fluktuationen in der Oberflächendichte. Darüber hinaus sind diese Strukturen nur schwach mit den Positionen der Protoplaneten korreliert. Die Untersuchung verschiedener Schlagfestigkeiten zeigt, daß die Fragmentation von Planetesimalen hauptsächlich den gesamten Massenverlust kontrolliert, der aber während des frühen Wachstums der Protoplaneten relativ gering ist. Es zeigt sich, daß Fragmentation in Verbindung mit dem schnellen Verlust der Fragmente durch Gasreibung eine obere Grenze für die Masse der Protoplaneten in Abhängigkeit vom Abstand zum Zentralstern setzt.

Translation of abstract (English)

This work presents novel simulations of the formation of planets, with a focus on the formation of protoplanets out of planetesimals. The evolution of the system at this stage is driven by encounters as well as direct collisions, and requires a careful modelling of the evolution of the velocity dispersion and the size distribution over the whole size range. To serve this purpose, a new hybrid code called Nbody6Disc has been developed to cover the full size range from kilometre-sized planetesimals to protoplanets. It combines the advantages of a pure N-body approach for the integration of the larger bodies with an additional statistical model to cover the smaller planetesimals. This new code is applied to the formation of protoplanets. The simulations show no termination of the protoplanetary accretion due to gap formation, since the distribution of the planetesimals is only subjected to small fluctuation. Moreover, these features are weakly correlated with the positions of the protoplanets. The exploration of different impact strengths indicates that fragmentation mainly controls the overall mass loss, which is less pronounced during the early runaway growth. It is shown that fragmentation in combination with the effective removal of collisional fragments by gas drag sets an universal upper limit of the protoplanetary mass as a function of the distance to the host star.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Spurzem, Prof. Dr. Rainer
Date of thesis defense: 24. May 2006
Date Deposited: 30. May 2006 12:00
Date: 2006
Faculties / Institutes: Service facilities > Zentrum für Astronomie der Universität Heidelberg (ZAH) > ZAH: Astronomisches Rechen-Institut
Subjects: 520 Astronomy and allied sciences
Controlled Keywords: Planetenentstehung, Computersimulation, Fokker-Planck-Gleichung, Vielkörperproblem
Uncontrolled Keywords: planetary formation , planetesimals , N-body simulation
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