German Title: Diffusion Limitierte Entstehung von Planetesimalen

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PDF, English - main document Download (62MB) | Lizenz: Diffusion Limited Planetesimal Formation. Why asteroid and Kuiper-belt objects share a characteristic size by Schreiber, Andreas underlies the terms of Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0

Abstract

Planets are surprisingly abundant in our own solar system, but also in extrasolar systems. It is striking to find no explanation for them, as dust in protoplanetary disks was found to not outgrow metres in size. The growth barrier of dust to km-sized planetesimals thus states a missing link onto their formation mechanisms. It is evident for planetesimals to have been present in the early solar system, as their remnants prowl the solar system today in the form of asteroids, Kuiper belt objects, and comets. Of them, many were found to be pristine, giving a hint on what once populated the early solar nebula. Studying the sizes of these pristine objects revealed for all of them a characteristic diameter of 100 km. It is stunning to find this feature independent of distance from the Sun in most pristine object families, hence this feature has to be an imprint of their formation mechanism. This thesis derives a formation criterion for planetesimals out of particle cloud collapse within protoplanetary disks. The found mechanism is capable of reproducing the characteristic sizes of these pristine objects, as it is to first order independent of radial distance from the star. By comparing collapse timescale with turbulent particle diffusion timescale, a minimum size criterion for a dust cloud to collapse is found and investigated. Naturally, dust cloud collapse happens at high dust-to-gas ratios, thus the streaming instability is a good candidate for this turbulent process. Hence, the streaming instability is studied in 2-d and 3-d simulations at dust-to-gas ratios well above unity and on typical collapse length scales. This study found a new instability, namely the azimuthal streaming instability. It operates in the radial-azimuthal plane and has characteristics similar to the streaming instability, thus its name. Subsequent collapse simulations in 2-d and 3-d proved the diffusion limited planetesimal formation to produce planetesimals right at the expected 100 km diameter. It is the conclusion of this thesis to have shown a fundamental concept to be applied in future studies on planetesimals. It has the prospect to make verifiable predictions which can proof this mechanism to have shaped the solar system as we see it today.

Translation of abstract (German)

Planeten gibt es nicht nur in unserem Sonnensystem, sondern auch überraschend häufig in extrasolaren Planetensystemen. Bis heute konnte jedoch der Planetenentstehungsprozess nicht final nachvollzogen werden, da Staub in protoplanetaren Scheiben nicht über eine Größe von Metern hinauswachsen kann. Die dynamischen Prozesse, die km-große Planetesimale entstehen lassen, können als Missing Link der Planetenentstehung verstanden werden. Es gilt als erwiesen, dass diese Objekte in großer Anzahl im frühen Sonnensystem vorhanden gewesen sein müssen. Noch heute streifen übrig gebliebene Planetesimale in der Form von Asteroiden, Kuipergürtel-Objekten und Kometen durch unser Sonnensystem. Viele von ihnen noch heute in ihrer ursprünglichen Form und geben einen Einblick in die frühe Phase unseres Sonnensystems. Die Größenverteilungen der meisten dieser Objektfamilien zeigt jedoch unabhängig von der Entfernung zur Sonne eine feste charakteristische Größe von 100 km, was daher ein Merkmal aus ihrem Entstehungsprozess sein muss. In dieser Dissertation wird ein Entstehungskriterium für Planetesimale aus dem Kollaps einer Partikelwolke innerhalb einer protoplanetaren Scheibe hergeleitet. Der gefundene Mechanismus ist in erster Ordnung unabhängig von der Distanz zum zentralen Stern und daher erstmals in der Lage die charakteristische Größe von den heute beobachteten Planetesimalen zu reproduzieren. Durch den Vergleich von Kollapszeit mit turbulenter Diffusionszeit, konnte ein minimales Größenkriterium für eine Partikelwolke gefunden werden. Da der zu erwartende Kollaps bei hohen Staubkonzentrationen stattfindet, ist die Streaming Instabilität der beste Kandidat für den stärksten turbulenten Prozess. Daher untersucht diese Dissertation in 2-D und 3-D Simulationen diese Instabilität bei Staubkonzentrationen weit über eins hinaus und auf dem für Kollaps typischen Längenskalen. In dieser Studie wurde eine neue Staub-Gas-Instabilität gefunden, die azimutale Streaming Instabilität. Sie ist in der radial-azimutalen Ebene anzutreffen und ähnlich zur Streaming Instabilität. Weiter konnte in 2-D und 3-D Kollaps-Simulationen das hergeleitete diffusionslimitierte Planetesimal-Entstehungskriterium erfolgreich verifiziert und die Entstehung von 100 km-großen Planetesimalen vorhergesagt werden. Es ist das Ergebnis dieser Doktorarbeit ein neuen Mechanismus der Planetesimalentstehung identifiziert und verifiziert zu haben. Das Entstehungskriterium ist in der Lage überprüfbare Vorhersagen an unser Sonnensystem zu stellen und wird hoffentlich in der Zukunft Beweis finden, die belegen, dass dieser Prozess unser heute beobachtetes Sonnensystem geprägt hat.