Entstehung planetarer Atmosphären
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Kontext: Planeten entstehen in zirkumstellaren Scheiben aus Staub und Gas. Aufgrund ihrer Gravitation binden diese Planeten dabei das Ihnen umgebende Gas in Form einer planetaren Atmosphäre. Im Fall sehr massereicher Planeten führt die Anziehung zu einem rasanten Anwachsen der Gasmasse und es entstehen jupiterähnliche Gasriesen. Leichtere Planeten, wie unsere Erde oder Neptun, lösen keinen solchen Kollaps ihrer Umgebung aus und binden im Vergleich nur wenig Gas in ihrer Atmosphäre. Dieses Beobachtungscharakteristikum der Atmosphäre eines Planeten lässt also Rückschlüsse auf dessen Entstehungsgeschichte in der zirkumstellaren Scheibe zu. Methoden: Wir haben die Entstehung und frühe Entwicklung planetarer Atmosphären in numerischen strahlungshydrodynamischen Simulationen untersuchr. Sowohl die hydrodynamischen als auch die thermodynamischen Prozesse der Atmosphärenbildung wurden dabei adäquat berücksichtigt. Um eine sehr hohe Auflösung der Atmosphärenentstehung zu erreichen, haben wir uns in den Simulationen auf einen lokalen Bereich um den Planeten konzentriert und es wurde ein planetenzentriertes Gitter in sphärischen Koordinaten verwendet. Die Simulationsdaten wurden mittels eines Teilchen-Trajektorien-Moduls weiter verarbeitet, um die lokal in den verschiedenen Regionen der Atmosphäre vorherrschenden Recycling-Zeitskalen zu bestimmen. Ziele: Wir bestimmen die Masse der entstehenden Atmosphäre und ihr Rotationsprofil sowie ihre Kühlzeit und die Zeitskala der dynamischen Durchmischung der Atmosphäre und der Scheibe als Funktion der Planetenund Scheibenparameter sowie der optischen Eigenschaften der Umgebung. Neben der Fragestellung, ob die Atmosphäre eine (quasi-)stationäre Konfiguration einnimmt, war es uns möglich, zu überprüfen, ob die thermische Energie die entstehende Atmosphäre am Kollaps hindert. Ergebnisse: Die untersuchten Systeme haben sich in einem stabilen Zustand eingependelt, der die Protosphäre des Planeten aufrechterhält und verhindert, dass er zu einem Gasriesen kollabiert. Die Untersuchungen ergaben, dass die gesamte protoplanetare Atmosphäre einem Recycling unterzogen wird und es keine Regionen gibt, in denen kein Gasaustausch mit der zirkumstellaren Scheibe stattfindet. Wenn die Kernmasse über zwei Erdmassen liegt, wird die Atmosphäre turbulent, was das Recycling verstärkt. Die Größe der Atmosphäre nimmt ungefähr proportional zur Kernmasse hoch 2/3 zu, wobei das Verhältnis von Atmosphäre zu Kernmasse linear mit der protoplanetaren Kernmasse skaliert. Der Gegenwind wirkt sich geringfügig auf die Größe und Masse der Atmosphäre aus, aber die Opazität hat einen erheblichen Einfluss auf die endgültige Größe und Masse der Atmosphäre. Mit größerem Abstand zum Wirtsstern wird das Recycling weniger effizient, und eine unkontrollierte Gasakkretion wird bei Abständen von 3 bis 5 au möglich.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Steady state by recycling prevents premature collapse of protoplanetary atmospheres. Astronomy & Astrophysics, 646, L11.
Moldenhauer, T. W.; Kuiper, R.; Kley, W. & Ormel, C. W.
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Atmospheric Recycling Prevents Premature Collapse of Protoplanetary Atmospheres of Close-in Super-Earths and Mini-Neptunes. Dissertation, Eberhard-Karls-Universität Tübingen.
Moldenhauer, Tobias Walter
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Recycling of the first atmospheres of embedded planets: Dependence on core mass and optical depth. Astronomy & Astrophysics, 661, A142.
Moldenhauer, T. W.; Kuiper, R.; Kley, W. & Ormel, C. W.
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Recycling of Planetary Proto-Atmospheres. Copernicus GmbH.
Moldenhauer, Tobias; Kuiper, Rolf; Kley, Wilhelm & Ormel, Chris
