Modeling of radial and azimuthal structure in debris disks

• Antragsteller: Professor Dr. Alexander Krivov
• Fachliche Zuordnung: Astrophysik und Astronomie
• Förderung: Förderung von 2008 bis 2011
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 77534521

• Erstellungsjahr: 2011

Zusammenfassung der Projektergebnisse

In diesem Projekt konzentrierten wir uns auf eine detailierte Untersuchung der Radialverteilung des Materials in Trümmerscheiben (glatte Profile, isolierte Ringe und innere Lücken). Weniger Gewicht wurde auf azimutale Strukturen gelegt, da neuere Submillitmeter-Beobachtungen Zweifel an früheren Ergebnissen aufkommen ließen. In unserer Studie ermittelten wir radiale Verteilungen auf Basis von spektralen Energieverteilungen und beobachteten Helligkeitsprofilen. Die erhaltene Scheibenstruktur wurde dann genutzt, um die Eigenschaften und die Entwicklung der Staub produzierenden Kleinkörper, der Planeten, der Umgebung (z.B. Gas) und sogar des Zentralsterns (durch Strahlung und Sternwind) näher zu bestimmen. Dies wurde für einzelne Systeme mit aufgelösten Scheiben wie Wega, ǫ Eri, HR 8799 und andere durchgeführt. Daneben entwickelten wir ein neues Modell zur Vorhersage der Staubverteilung in der Trümmerscheibe unseres eigenen Sonnensystems, dem Edgeworth-Kuiper-Gürtel, der einen natürlichen Bezug zu den Trümmerscheiben um andere Sterne darstellt. Wir gelangten dabei zu folgenden wesentlichen Schlussfolgerungen: (i) Unsere Ergebnisse für die archetypische Trümmerscheibe um Wega legen nahe, dass diese Scheibe, im Gegensatz zu früheren Resultaten, nicht im Widerspruch zu einer kontinuierlichen Staubproduktion im Kollisionsgleichgewicht steht. Darüber hinaus finden wir wichtige Einschränkungen für einige Parameter. Speziell zeigen wir, dass kraterbildende Kollisionen zwingend berücksichtigt werden mussen. Wir zeigen ebenfalls, dass nur durch eine mittlere Sternleuchtkraft, zwischen den durch die schnelle Rotation sehr verschiedenen Werten an den Polen und am Äquator, die Beobachtungen wiedergegeben werden konnen. Schließlich geben wir einem Szenario den Vorzug, in dem die Kollisionskaskade bereits zu einem früheren Zeitpunkt in der Entwicklung des Wega-Systems einsetzte. (ii) Die Staubscheibe um ǫ Eridani beinhaltet eine warme Komponente bei einigen astronomischen Einheiten Abstand zum Stern. Dort ist eine anhaltende lokale Staubproduktion unmöglich, da ein Asteroidengürtel oder ein Kometenschwarm als mögliche Staubquellen durch den bekannten Planeten zerstört worden waren. Wir schlugen daher eine alternative Erklärung vor: In unserem Modell stammt der warme Staub von einem, im Submillimeterbereich beobachteten, außeren, kalten “Kuipergürtel” und wird durch Wechselwirkung mit dem Sternwind nach innen transportiert. (iii) Im Mehrfach-Planetensystem HR 8799, welches ein bekanntes äußeres Kuipergurtelanalogon aufweist, haben wir einen inneren, warmen Staubgürtel innerhalb der Planetenbahnen identifiziert, also einen Asteroidengürtel. In einer detailierten Studie der gesamten Systemarchitektur, inklusive der Planeten und beider Staubgürtel, konnten wir einige Schlussfolgerungen über Massen und Stabilitat dieser Komponenten ziehen. (iv) An den Beispielen von β Pictoris und HD 32297 sind wir der Frage nachgegangen, ob die Menge (und der Ursprung) von Gas in jungen Trümmerscheiben durch den beobachteten radialen Verlauf der Helligkeit eingeschränkt werden kann. Im Gegensatz zu vorherigen Ergebnissen zeigten wir, dass dieser Verlauf überraschend robust gegenüber Änderungen der Eigenschaften des Zentralsterns, der Lage des stauberzeugenden Planetesimalgürtels, des Staubanteils der Scheibe und, was am wichtigsten ist, der Eigenschaften des umgebenden Gases ist. (v) Wir haben ein neues, zeitgemaßes Kollisionsmodell der mutmaßlichen Staubscheibe im Kuipergürtel entwickelt.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• (2009). A Possible Architecture of the Planetary System HR 8799. Astronomy and Astrophysics 503, 247–258
  M. Reidemeister, A.V. Krivov, T. O. B. Schmidt, S. Fiedler, S. Müller, T. Löhne, and R. Neuhäuser
  
• (2009). Can Gas in Young Debris Disks Be Constrained by Their Radial Brightness Profiles? Astronomy and Astrophysics 507, 1503–1516
  A.V. Krivov, F. Herrmann, A. Brandeker, and Ph. Thébault
  
• (2010). Debris Disks: Seeing Dust, Thinking of Planetesimals and Planets. Research in Astronomy and Astrophysics 10, 383–414
  A.V. Krivov
  
• (2010). The Debris Disk of Vega: A Steady-State Collisional Cascade, Naturally. Astrophysical Journal 708, 1728–1747
  S. Müller, T. Löhne, and A.V. Krivov
  
• (2010). The Edgeworth-Kuiper Debris Disk. Astronomy and Astrophysics 520, A32
  Ch. Vitense, A.V. Krivov, and T. Löhne
  
• (2011). The Cold Origin of the Warm Dust around ε Eridani. Astronomy and Astrophysics 527, A57
  M. Reidemeister, A.V. Krivov, C.C. Stark, J.-C. Augereau, T. Löhne, and S. Müller