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status_changed: 2012-08-14 15:28:34
type: doctoralThesis
metadata_visibility: show
creators_name: Brauer, Frithjof
title: Dust particle growth in protoplanetary disks
title_de: Staubwachstum in Protoplanetaren Scheiben
ispublished: pub
subjects: 520
divisions: 851310
adv_faculty: af-13
keywords: planet formation , protoplanetary disks , astronomy , particle coagulation
cterms_swd: Planetenentstehung
cterms_swd: Weltall
cterms_swd: Astronomie
cterms_swd: Extrasolarer Planet
cterms_swd: Koagulation
cterms_swd: Interplanetarer Staub
cterms_swd: Interstellarer Staub
cterms_swd: Planetensystem
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.
abstract_translated_text: 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.
abstract_translated_lang: ger
date: 2008
date_type: published
id_scheme: DOI
id_number: 10.11588/heidok.00009213
ppn_swb: 599298693
own_urn: urn:nbn:de:bsz:16-opus-92131
date_accepted: 2009-01-28
advisor: HASH(0x556120867be0)
language: ger
bibsort: BRAUERFRITDUSTPARTIC2008
full_text_status: public
citation:   Brauer, Frithjof  (2008) Dust particle growth in protoplanetary disks.  [Dissertation]     
document_url: https://archiv.ub.uni-heidelberg.de/volltextserver/9213/1/dissertation_frithjof_brauer.pdf