German Title: Die Entropie von Gasriesen am Ende derer Entstehung: Strahlungseigenschaften der Akkretionsstoßfront und Informationen aus Beobachtungen

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Abstract

We study the radiative properties and in particular the radiation loss efficiency of the planetary accretion shock by performing radiation-hydrodynamics simulations of accretion onto a planet at snapshots during its formation. We use the state-of-the-art code PLUTO in spherical symmetry and both one- and two-temperature flux limited diffusion. We take tabulated gas and dust opacities and use a constant equation of state to isolate radiation transport effects.

We find that, for a significant subset of the formation parameter space, the schock is isothermal and essentially the entire kinetic energy is converted to radiation. The fraction brought into the planet is negligible compared to the internal luminosity, which appears to favour the so-called ‘cold-start’ assumption.

We also study what constraints direct detections can provide on the post-formation entropy. First, we attempt to produce accurate cooling tracks by using self-consistently the sophisticated BT-Settl-2010 atmospheric models. However, we find that this is not possible because of due to dust phase transitions at Teff ≈ 1500 K. Secondly, we set lower bounds on the post-formation entropy of some well-studied gas giants. We find that they most likely did not form as classical coldest starts, but that κ Andromeda b may be undergoing a ‘deuterium flash’.

Translation of abstract (German)

Wir untersuchen den Strahlungstransport und insbesondere die Strahlungsverlusteffizienz η bei der planetarischen Akkretionsstoßfront mittels strahlungshydrodynamischer Simulationen der obersten Schichten eines Planeten und wählen dafür Momentaufnahmen während seiner Entstehung aus. Wir benutzen den PLUTO-Code in sphärischer Symmetrie und flußbegrenzte Diffusion mit den Ein- und Zweitemperaturenverfahren (1- und 2-T ). Tabellierte Gas- und Staubopazitäten werden herangezogen und eine konstante Zustandsgleichung wird benutzt um Strahlungstransporteffekte zu isolieren.

Die Simulationen zeigen, daß in einem bedeutsamen Teil des Entstehungsparameterraumes die Stoßfront isotherm ist und die ganze kinetische Energie in Strahlung umgewandelt wird und daß der in den Planeten hineingebrachte Anteil mit der internen Leuchtkraft verglichen vernachlässigbar ist. Der Befund scheint zu sogenannten Kalten Anfängen zu führen.

Wir untersuchen auch die Frage aus der Perspektive der Beobachtungen und bestimmen, welche Informationen Direktbeobachtungen über die Anfangsentropie liefern können. Erstens versuchen wir, genaue Kühlungskurven durch eine selbstkonsistente Einbindung der komplexen BT-Settl-2010-Atmosphärenmodelle zu berechenen. Wir stellen jedoch fest, daß dies aufgrund unkonvergierter Staubphasenübergänge bei Teff ≈ 1500 K unmöglich ist. Zweitens benutzen wir einfache Kühlungskurven um Niedrigstwerte der Anfangsentropie von Gasriesen herzuleiten. Wir finden, daß die untersuchten Beispiele wahrscheinlich nicht als klassiche Kalte Anfängen entstanden sind, aber daß κ Andromeda b möglicherweise einen ‘Deuteriumblitz’ erlebt.