The first phase of planet formation: Collisional behavior and mechanical properties of dust aggregates

Abstract

From the first days of modern Astronomy it was speculated whether our own solar system is exceptional or not. Within the past two decades, astronomers have been able to detect hundreds of so called exoplanets that orbit other stars. In the wake of these discoveries the question how these planets formed in the first place became more and more prominent. Despite significant scientific progress planet formation is yet not entirely understood and many questions still lack of an answer.

It is commonly accepted that the process of planet formation starts with the collapse of large molecular cloud. This collapse leads to the formation of an accretion disk around a young star, where tiny dust and ice grains are embedded in the disk. At first, they coagulate and form highly porous aggregates. As they grow larger their relative velocities increase, leading to the compaction of the colliding aggregates. Depending on the collision velocity, compact aggregates may bounce off or destroy each other, where both processes inhibit further growth. If aggregates grow to kilometer sized objects gravity becomes strong enough to determine the further growth to protoplanets.

The aim of this work is to study the growth process from micron sized grains to macroscopic aggregates. For this purpose, a molecular dynamics approach featuring a detailed micro-mechanical interaction model is employed. First, the interaction model has been calibrated by comparison with suitable laboratory experiments. Afterwards, mechanical properties of porous dust aggregates such as the compressive, tensile, or shear strength have been determined from numerical ab initio simulations. Profound knowledge of these properties is crucial to simulate the behavior of macroscopic dust aggregates.

Additionally, the influence of the microscopic structure of aggregates on the outcome of collisions has been studied in greater detail. Especially, the prerequisites for bouncing have been studied carefully. Another important issue is to investigate at which velocities the transition from compaction to fragmentation occurs. The last part of this work addresses the question how much larger aggregates suffer from erosion when being bombarded with small, high speed projectiles.

Seit den Anfängen der modernen Astronomie wurde über die Frage spekuliert, ob unser Planetensystem im Universum eine Sonderrolle einnimmt. In den vergangenen zwei Jahrzehnten gelang Astronomen die Entdeckung hunderter sog. Exo-Planeten, die um fremde Sterne kreisen. Parallel dazu geriet die Frage, auf welche Weise Planeten entstehen, in den Fokus. Auch wenn Astrophysiker in den letzten Jahren einer Antwort deutlich näher gekommen sind und sich die groben Umrisse des Planetenentstehungsprozesses klar abzeichnen, sind noch immer viele Detailfragen offen.

Als gesichert gilt, dass es ausgehend vom Kollaps einer interstellaren Molekülwolke zur Bildung einer sog. protoplanetaren Scheibe kommt. Diese besteht aus Gas, das um den in ihrem Zentrum entstandenen jungen Stern rotiert. In diese Gasscheibe sind mikroskopische Staub- und Eisteilchen eingebettet, die sich im Laufe der Zeit zu größeren, hochporösen Aggregaten verklumpen. Mit zunehmender Größe der Kollisionspartner wächst die Kollisionsgeschwindigkeit, was zur Kompaktifizierung der Aggregate führt. Kompakte Aggregate können voneinander abprallen und hohe Kollisionsgeschwindigkeiten führen zu Fragmentation; beide Eekte wirken einem weiteren Anwachsen entgegen. Erst ab einer Größe von ungefähr einem Kilometer reicht die Masse der Staub- und Eisbrocken aus, damit ihre Gravitation den weiteren Wachstumsprozess bis zum "ausgewachsenen" Planeten bestimmen kann.

Ziel dieser Dissertation ist es, den Wachstumsprozess von mikrometergroßen Staubkörnchen zu makroskopischen Aggregaten mit Hilfe von Computersimulationen genauer zu untersuchen. Im Rahmen eines Molekulardynamik-Ansatzes wird ein solches Aggregat aus bis zu einigen hunderttausend mikroskopischen, kugelförmigen Teilchen zusammengesetzt, die bei Kontakt miteinander wechselwirken. Im Rahmen dieser Promotion wurde zunächst für Staub das Wechselwirkungsmodell mit Hilfe geeigneter Laborexperimente kalibriert. Danach konnte das mechanische Verhalten poröser Staubaggregate untersucht werden und dabei insbesondere die Kompressions-, Zug- und Scherfestigkeit bestimmt werden. Die genaue Kenntnis dieser Größen ist von zentraler Bedeutung um das Kollisionsverhalten makroskopischer Staubbrocken zu simulieren.

Außerdem wurde detailliert untersucht, wie sich die mikroskopische Struktur auf das Kollisionsverhalten auswirkt. Hierbei war von besonderem Interesse, unter welchen Bedingungen Aggregate voneinander abprallen und in welchem Geschwindigkeitsbereich der Übergang zu Fragmentation stattfindet. Der letzte Teil dieser Dissertation behandelte die Frage, wie stark verschiedene Arten von Staubaggregaten durch den Einschlag winziger Projektile erodiert werden.