Wie Superjupiters gefüttert werden: Aufgelöste 3D-Simulationen der Gasakkretion auf Gasriesen und Linienemissionsvorhersagen

• Antragsteller: Dr. Gabriel-Dominique Marleau
• Fachliche Zuordnung: Astrophysik und Astronomie
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 553699646

Einige Planeten massereicher als Jupiter wurden beobachtet, während sie gerade akkretieren, d.h. an Masse gewinnen. Sie zeigen dies vor allem durch Wasserstofflinienübergänge. Das eigentliche Reservoir des Gases ist eine Scheibe um den jungen Stern, in der der Planet mitkreist. Es ist noch unklar, wie genau ein Teil des Gases von der Umlaufbahn um den Stern auf den Planeten gelangt. Viele Simulationen haben sich mit dieser Frage z.T. befaßt, aber wegen begrenzter Rechenressourcen wird die Schwerkraft des Planeten nah seiner Oberfläche oft „geglättet“, d.h. abgeschwächt. Dies verlangsamt aber die Gasströmung dort, wo die Linien entstehen sollten. Dies zuverlässig vorherzusagen, erfordert Simulationen mit der ungeglätteten Schwerkraft des Planeten. Wir haben solche Simulationen in „(Seitenansicht)-2D“ durchgeführt, d.h. unter der Annahme axialer Symmetrie um den Planeten. Der Akkretionsprozeß ist jedoch unsymmetrisch: Gas aus verschiedenen Richtungen dreht sich unterschiedlich schnell um den Planeten. Daher schlagen wir vor, glättungsfreie 3D-Strahlungshydrodynamiksimulationen der Akkretion auf Gasriesen durchzuführen und so eine Lücke in der Simulationslandschaft zu füllen. Unsere Erfahrung hat uns gut auf die numerischen Herausforderungen vorbereitet. Wir werden uns die Synergien in der Forschungsgruppe -- besonders laufende 3D-Simulationen von akkretierenden Supererden und die ständige Codeentwicklung -- zunutze machen. Wir werden die physikalischen Eingangsgrößen variieren, um den für jetzige und künftige Beobachtungen relevanten Parameterraum abzutasten. Zu den wichtigen Ergebnissen gehören die Menge und die Geschwindigkeit des Gases, das auf den Planeten oder in dessen Nähe landet, oder die Akkretionserwärmung der Scheibe, mit möglichen chemischen Effekten. Die Untersuchung nicht nur der Gesamtmenge des Lichtes in diesen Übergängen sondern auch ihrer hochaufgelösten spektralen Form ist wichtig. Sie liefert Informationen über die physikalischen Prozesse, die die Akkretion steuern, wie wir mit vereinfachten Modellen untersucht haben. Wir werden die Ergebnisse unserer bestehenden 2,5D- und kommenden 3D-Simulationen mit veröffentlichten komplexen Modellen der Linienemission koppeln. Dieser Vorhersagenkatalog wird dazu dienen, hochaufgelöste Daten von Instrumenten zu interpretieren, die erst kürzlich oder fast fertig gebaut wurden. Wir werden diese Vorhersagen auch auf zugesagten Daten des James-Webb-Weltraumteleskops anwenden. Kurzum ist dieses Projekt ein risikoarmer, gewinnbringender Beitrag zum spannenden und schnell wachsenden Gebiet der Planetenentstehung, das mit zirkumplanetarischen Scheiben und den Wechselwirkungen zwischen Planeten und Scheiben verbunden ist. Durch den Einsatz moderner Methoden wird dieses zeitnahe Projekt auf bestehenden Ergebnissen aufbauend Beobachter und Theoretiker international zusammenbringen und quantitative Ergebnisse liefern, die das Gebiet voranbringen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: China
• Kooperationspartner: Yuhiko Aoyama, Ph.D.