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Dust particle growth in protoplanetary disks

Brauer, Frithjof

German Title: Staubwachstum in Protoplanetaren Scheiben

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PDF, German
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Abstract

This thesis deals with the initial stages of planet formation in protoplanetary disks. Particular interest lies on the growth process from sub-micrometer-sized dust grains towards planetesimals of km-size. To form such large objects in protoplanetary disks, the primary coagulation mechanism has to circumvent at least two severe obstacles, namely the rapid loss of solid material due to radial inward drift and particle fragmentation due to destructive collisions with high velocities. These two hurdles together are called the "Meter size barrier" for particle growth, whose investigation is the main subject of this thesis. We find that the initial dust-to-gas ratio is essential for the particles to overcome the radial drift barrier, i.e. the first part of the meter size barrier. If this ratio is increased by a factor of two compared with the canonical value for the interstellar medium, planetesimals can form within short time scales in the disk. Our simulation results also suggest that the fragmentation barrier, the second part of the meter size barrier, is only overcome if implausible high critical threshold velocities for particle fragmentation are assumed. For this reason, we investigate disk environments which could favour planetesimal formation. We focus on non-turbulent regions, so-called dead zones, around the disk midplane in the presence of the ice evaporation front. We find that in this specific disk environment, particle fragmentation is no longer an obstacle and boulders of km-size can form within only a few thousand years. One major conclusion of this thesis is, therefore, that solid material can overcome the meter size barrier of particle growth and that planetesimal formation due to hit-and-stick mechanisms is in fact possible.

Translation of abstract (German)

Diese Doktorarbeit beschäftigt sich mit den ersten Phasen der Planetenentstehung in protoplanetaren Scheiben. Besonderes Interesse kommt dabei dem Wachstumsprozeß von sub-mikrometer großen Staubteilchen hin zu Planetesimalen von Kilometer größe zu. Um solch große Objekte in protoplanetaren Scheiben bilden zu können, muß der anfängliche Koagulationsprozeß zwei erhebliche Hürden umgehen; zum einen den schnellen Massenverlust der Staubscheibe auf Grund radialer Driftbewegungen von Staubteilchen zum Stern hin, zum anderen die Zerstörung bereits größerer Teilchen auf Grund von Kollisionen mit hoher Geschwindigkeit. Diese beiden Hürden zusammengenommen werden als die "Meter-Barriere" des Wachstumsprozesses bezeichnet, dessen Untersuchung den Hauptbestandteil dieser Arbeit darstellt. In der Arbeit wird gezeigt, daß das anfängliche Staub-Gas-Verhältnis von entscheidender Bedeutung ist, um das Problem der radialen Teilchenbewegung, also den ersten Teil des Problems der Meter-Barriere, zu umgehen. Wenn dieses Verhältnis, verglichen mit jenem des interstellaren Mediums, um einen Faktor zwei erhöht wird, so führt dies in astronomisch gesehen kurzer Zeit zur Bildung von Planetesimalen. Die Simulationsergebnisse weisen auch darauf hin, daß die Fragmentations-Barriere, der zweite Teil des Problems der Meter-Barriere, nur unter der Annahme unrealistisch hoher kritischer Fragmentationsgeschwindigkeiten umgangen werden kann. Aus diesem Grunde wird außerdem untersucht, ob bestimmte Umgebungen in der protoplanetaren Scheibe die Koagulation günstig beeinflussen können. Wir untersuchen den Einfluß von Regionen mit sehr geringer Turbulenz, sogenannte "Tote Zonen", in Gegenwart der Verdampfungsfront von Wassereis. Es zeigt sich, daß Teilchenfragmentation in dieser spezifischen Umgebung nicht länger ein Hindernis darstellt, da es in dieses Modell in nur wenigen tausend Jahren zur Bildung von Planetesimalen kommt. Eine grundlegende Schlußfolgerung dieser Arbeit ist somit, daß es protoplanetarem Staub möglich ist, die Meter-Barriere zu durchbrechen, und daß die Bildung von Planetesimalen durch Stoßinduzierte Wachstumsvorgänge tatsächlich möglich ist.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Henning, Prof. Thomas
Date of thesis defense: 28. January 2009
Date Deposited: 20. Mar 2009 09:57
Date: 2008
Faculties / Institutes: Service facilities > Max-Planck-Institute allgemein > MPI for Astronomy
Subjects: 520 Astronomy and allied sciences
Controlled Keywords: Planetenentstehung, Weltall, Astronomie, Extrasolarer Planet, Koagulation, Interplanetarer Staub, Interstellarer Staub, Planetensystem
Uncontrolled Keywords: planet formation , protoplanetary disks , astronomy , particle coagulation
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