Entstehung von Planetensystemen Benjamin Mück

1. Entstehung von PlanetensystemenBenjamin Mück

2. Hot Jupiter

3. Protoplanetarische Scheiben • Planetenbildung • Entwicklung von Planetensystemen Gliederung Entstehung von Planetensystemen - Protoplanetarische Scheiben Benjamin Mück

4. Protoplanetarische Scheiben • Sternbildung • Struktur der Scheiben • Magnetorotationsinstabilität • Auflösung der Scheiben • Kondensation Entstehung von Planetensystemen - Protoplanetarische Scheiben Benjamin Mück

5. Sternbildung • Sternentstehung in dichten Molekülwolken • z.B. CO, 13CO und NH3 • kleine, dichte Kerne ( ~ 0,1 pc) • Drehimpuls der Gasscheibe ~ Drehimpuls des Sonnensystems Bildung von Scheiben der Größe des Sonnensystems (Klassifizierung siehe S. 58) Entstehung von Planetensystemen - Protoplanetarische Scheiben Benjamin Mück

6. Spectral Energy Distribution • Überschuss im Infraroten Bereich Heißer Staub in der Scheibe • Überschuss im UV Hot Spots auf der Oberfläche des Sterns UV excess Entstehung von Planetensystemen - Protoplanetarische Scheiben Benjamin Mück

7. Struktur der Scheiben Vertikale Struktur dünner Scheiben: vertikales hydrodynamisches Gleichgewicht Entstehung von Planetensystemen - Protoplanetarische Scheiben Benjamin Mück

8. Struktur der Scheiben II Passive Scheibe: • Leuchtkraft dominiert von reemitierten Sternlicht • Temperaturprofil • Form der Scheibe (mehr siehe seite 59) Entstehung von Planetensystemen - Protoplanetarische Scheiben Benjamin Mück

9. Struktur der Scheiben III aktiv akkretierende Scheiben • Problem: Drehimpuls • Verlust von Drehimpuls durch: • Verteilung von Drehimpuls durch Viskosität • Verlust von Drehimpuls des ganzen Systems durch magnetisch angetriebene Disk Winds Entstehung von Planetensystemen - Protoplanetarische Scheiben Benjamin Mück

10. Struktur der Scheiben IV aktiv akkretierende Scheibe • langsam rotierender Stern • kleine Grenzschicht • Beobachtungen(klass. T Tauri): • Magnetosphäre unterbricht die Scheibe • Magnetische Kopplung von Stern – Scheibe erlaubt Drehimpulsübertrag Entstehung von Planetensystemen - Protoplanetarische Scheiben Benjamin Mück

11. Struktur der Scheiben V Temperatur der Scheibe • für Schwarzkörperstrahlung gilt: • weit entfernt von der Grenzschicht wie passive Scheibe • M* ~ M๏, M๏, 1 AU Tdisk=150K auf der Oberfläche der Scheibe Entstehung von Planetensystemen - Protoplanetarische Scheiben Benjamin Mück

12. Spektrum der Scheibe • jede Schale strahlt als Schwarzkörper mit T(r) • Spektrum: Summe von Schwarzkörpern • gestrecktes Schwarzkörperspektrum λFλ λ-4/3 Entstehung von Planetensystemen - Protoplanetarische Scheiben Benjamin Mück

13. Drehimpulsübertrag • um Masse akkretieren zu können muss Drehimpuls übertragen werden • Viskosität zu klein ~106 Größenordnungen • Shakura & Sunyaev: innere Turbulenzen führen zu einer großen effektiven Viskosität Magnetorotationsinstabilität Entstehung von Planetensystemen - Protoplanetarische Scheiben Benjamin Mück

14. Magnetorotationsinstabilität (MRI) • MRI führt in ausreichend ionisierten Scheiben zu Turbulenzen • diese transportiert Drehimpuls nach aussen Masse kann nach innen fließen • potentielle Gravitationsenergie wird frei Entstehung von Planetensystemen - Protoplanetarische Scheiben Benjamin Mück

15. MRI II • MRI braucht nur einen sehr geringen Elektronenanteil x =(ne/nH) > 10-13 • 2 Quellen von Ionisierung: • Kollisions Ionisierung im Inneren der Scheibe • Ionisierung durch Kosmische Strahlung Entstehung von Planetensystemen - Protoplanetarische Scheiben Benjamin Mück

16. Ionisierung Entstehung von Planetensystemen - Protoplanetarische Scheiben Benjamin Mück

17. Auflösen der Scheibe • Auflösung der Scheibe setzt der Entstehung der Planeten ein Zeitlimit • UV Strahlung erhitzt das Gas bis auf 104 K Photoevaporation • Kritischer Radius • Schallgeschwindigkeit(10kms-1) > lokale Keplergeschwindigkeit Gas ungebunden „vom Winde verweht“ Entstehung von Planetensystemen - Protoplanetarische Scheiben Benjamin Mück

18. Auflösen der Scheibe II • zu wenig externe UVStrahlung Strahlung vom zentralen Stern • Massenverlustrate durch Photoevaporation • Kombination von Photoevaporation und viskose Entwicklung führen zu einer schnellen Auflösung der Scheibe Entstehung von Planetensystemen - Protoplanetarische Scheiben Benjamin Mück

19. Auflösen der Scheibe III 3 Phasen • , sinkt mit viskoser Zeitskale ~Myr • Wind schneidet innere Scheibe ab • fließt auf Stern ~105 • äußere Scheibe direkt vom Stern bestrahlt • „verbrennt“ das Restgas Entstehung von Planetensystemen - Protoplanetarische Scheiben Benjamin Mück

20. Kondensation • aktive Scheiben sind in der Mittelebene heißer als an der Oberfläche die zentrale Temperatur geht in die Gleichungen ein • kein Staub in der Nähe des Sterns spricht gegen Bildung von Hot Jupiter vor ort!!! Entstehung von Planetensystemen - Protoplanetarische Scheiben Benjamin Mück

21. Kondensation II • Im Gas der Protoplanetarischen Scheibe sind auch Staubkörner enthalten • Verteilung von 0,005 µm – 1µm • Startpunkt der Planetenentstehung • bekannte Elementare Zusammensetzung Berechnung des stabilsten thermodynamischen Mixes der Chemischen Verbindungen Entstehung von Planetensystemen - Protoplanetarische Scheiben Benjamin Mück

22. Kondensation III • „Schnee Linie“ : Radius in der Scheibe ab dem Wassereis vorhanden sein kann ~ 3 AU Entstehung von Planetensystemen - Protoplanetarische Scheiben Benjamin Mück

23. Planetenbildung • Bildung von Planetesimalen • Goldreich – Ward Mechanismus • Wachstum nach Planetesimalen • Bildung von Gas – Riesen Entstehung von Planetensystemen - Planetenbildung Benjamin Mück

24. Bildung von Planetesimalen I • Staub Teilchen sind stark an das Gas gekoppelt • Reibungszeitskala • 10*tfric , ist die Zeit in der sich die Relativgeschwindigkeit von Gas und Staub um eine Größenordnung ändert • bei 1 AU ~ 2,5 s (mehr auf S. 61/62) Entstehung von Planetensystemen - Planetenbildung Benjamin Mück

25. Bildung von Planetesimalen II • Scheibe ohne Turbulenzen(ruhig) • Absetzgeschwindigkeit • schnellere Absetzung bei höheren z und bei größeren Körnern(Sedimentation) • µm Körner: tsettle ~ 2•105 Jahre Entstehung von Planetensystemen - Planetenbildung Benjamin Mück

26. Bildung von Planetesimalen III • kleine feste Teilchen im Gas spüren eine Kraft nach innen Druckmaxima • bei 1 AU ~ 100 Jahre << Lebenszeit der Scheibe Schnelle Bildung von Planetesimalen • in turbulenten Scheiben lokale Druckmaxima Entstehung von Planetensystemen - Planetenbildung Benjamin Mück

27. Bildung von Planetesimalen IV 2 Thesen: • Paarweise Kollision von kleinen Körpern wie bei Staub( Koagulation) Problem: Effizienz von cm m • Gravitative Klumpung einer Teilchen Scheibe Goldreich – Ward Mechanismus Entstehung von Planetensystemen - Planetenbildung Benjamin Mück

28. Goldreich – Ward Mechanismus • Kombination von vertikaler Absetzung und radialem Drift Dichte Sub - Disk • Dichte der festen Teilchen > Gasdichte Gravitative Instabilität • Klumpung Entstehung von Planetensystemen - Planetenbildung Benjamin Mück

29. Goldreich – Ward Mechanismus II • Für Σstaub ~ 10-2 Σgas (Oberflächendichte) führt eine Instabilität zu einem Runden Körper mit r ~ 6km • Bildungsdauer ~ 103 Jahre • Aber: Es funktioniert so nicht! (mehr siehe S. 63) Entstehung von Planetensystemen - Planetenbildung Benjamin Mück

30. Goldreich – Ward Mechanismus III Probleme: • eine dichte Sub – Disk führt zu Turbulenzen wirkt gravitativer instabilität entgegen • in der dichten Scheibe rotieren Gas und Staub mit der Kepler Geschwindigkeit • Gas oberhalb der Scheibe rotiert langsamer ScherungTurbulenz, die die Scheibe daran hindert dünn genug zum Ausklumpen zu werden Entstehung von Planetensystemen - Planetenbildung Benjamin Mück

31. Goldreich – Ward Mechanismus IV Rettung: • lokale Anreicherung von Festkörpern durch radialen Drift oder Photoevaporation • Innere Turbulenzen sehr klein Planetesimale werden wahrscheinlicher durch Paarweise Kollisionen gebildet Entstehung von Planetensystemen - Planetenbildung Benjamin Mück

32. Wachstum nach Planetesimalen • Größe der Planetesimale > 10 km • keine Kopplung mehr mit dem Gas • Gravitative Bündelung Entstehung von Planetensystemen - Planetenbildung Benjamin Mück

33. Wachstum nach Planetesimalen II 3 Möglichkeiten nach einer Kollision: • Auseinanderbrechender Körper • elastische Kollision • Energiefreisetzung Gravitativ gebunden (im frühen Sonnensystem favorisiert) (Wirkungsquerschnitt siehe S. 64) Entstehung von Planetensystemen - Planetenbildung Benjamin Mück

34. Wachstum nach Planetesimalen III • mehr Masse in Planetesimalen schnelleres Wachstum • langsameres Wachstum in den Aussenbereichen • Isolationsmasse: Masse, bei der alle umgebende Planetesimale aufgebraucht sind • Für „Erdbedingungen“: Miso ~ 0,07 Merde • Für „Jupiterbedingungen“: Miso ~ 9 Merde Entstehung von Planetensystemen - Planetenbildung Benjamin Mück

35. Wachstum nach Planetesimalen IV • runaway Wachstum: wenige Körper wachsen schneller als der Rest • Kollisionenvon relativ isolierten Planeten„Embryos“ führen zur endgültigen Anordnung von terrestrischen Planeten ~ 100 Myr Entstehung von Planetensystemen - Planetenbildung Benjamin Mück

36. Bildung von Gas – Riesen 2 theoretische Modelle: • Kern Akkretionsmodel ~ 5 – 10 Myr • Gravitative Instabilität Entstehung von Planetensystemen - Planetenbildung Benjamin Mück

37. Bildung von Gas – Riesen II Kern Akkretionsmodell: • Bildung eines Kernes aus Gestein oder Eis wie bei terrestrischen Planeten • weitere Akkretion von Planetesimalen • Kritische Masse Akkretion von Gas Lücke in der Scheibe Scheibe löst sich auf Entstehung von Planetensystemen - Planetenbildung Benjamin Mück

38. Bildung von Gas – Riesen III Gravitative Instabilität: • eine ausreichend massereiche und/oder kalte Scheibe ist gravitativ Instabil • falls solche Instabilitäten wirklich zur Klumpung führt Bildung von Planeten (mehr siehe S. 65/66) Entstehung von Planetensystemen - Planetenbildung Benjamin Mück

39. Bildung von Gas – Riesen IV • Instabilität zu frühem Zeitpunkt • Falls eine solche Scheibe verklumpt bei 10 AU • bei großen(50-100 AU) Radien sehr massive Planeten oder Braune Zwerge Entstehung von Planetensystemen - Planetenbildung Benjamin Mück

40. Bildung von Gas – Riesen V Beobachtungen: • Sonnensystem Kern Akkretionsmodell • Saturn, Uranus und Neptun entstanden als die Scheibe sich auflöste Gasarm • Bildungsdauer für Neptun zu lang kann nicht vor Ort entstanden sein!!! Entstehung von Planetensystemen - Planetenbildung Benjamin Mück

41. Entwicklung von Planetensystemen • Migration • Migration durch Planetesimale • Planet – Planet Streuung Entstehung von Planetensystemen - Entwicklung von Planetensystemen Benjamin Mück

42. Migration • Wechselwirkungen zwischen den Planeten und der Protoplanetarischen Gasscheibe • Drehimpuls Austausch zwischen dem Planeten und der Scheibe führt zur Wanderung des Planeten Erklärung für „Hot Jupiter“ Entstehung von Planetensystemen - Entwicklung von Planetensystemen Benjamin Mück

43. Migration II Drehimpuls Austausch findet an den Orten der Lindblad Resonanzen statt Entstehung von Planetensystemen - Entwicklung von Planetensystemen Benjamin Mück

44. Migration III Typ I Migration Planet auf Kreisbahn in einer Gasscheibe: • Planet gewinnt Drehimpuls bei rL < rP Planet nach aussen, Gas nach innen • Planet verliert Drehimpuls bei rL > rP Planet nach innen, Gas nach aussen Entstehung von Planetensystemen - Entwicklung von Planetensystemen Benjamin Mück

45. Migration IV • Zeitskala τI  M-1p • Typ I Migration am schnellsten für schwere Planeten • wichtig für Kern Akkretions Modell • Wechselwirkung asymmetrisch: äussere Resonanzen stärker Planet nach innen Entstehung von Planetensystemen - Entwicklung von Planetensystemen Benjamin Mück

46. Migration V Typ II Migration: • Hill Radius: Bildung einer Lücke in der Scheibe • „tidal torque“ muss Lücke schneller öffnen als viskose Diffusion sie schließen kann q = Mp/M* ~ 10-4

47. Typ II Migration http://jilawww.colorado.edu/~pja/planet_migration.html Entstehung von Planetensystemen - Entwicklung von Planetensystemen Benjamin Mück

48. Migration VI • Typ II Migration ist eine Erklärung für die „Hot Jupiters“ • andere Vermuten vor Ort Enstehung und andere Voraussetzungen für die Scheibe • es ist möglich, dass auch die Wechselwirkung Planet – Scheibe zu den beobachteten Exzentrizitäten führt • hängt von der Stärke der äusseren Lindblad Resonanzen ab Entstehung von Planetensystemen - Entwicklung von Planetensystemen Benjamin Mück

49. Migration durch Planetesimale • nicht alle Planetesimale zur Bildung von Planeten verwendet • Nach dem Auflösen der Scheibe führt Wechselwirkung Planet – Planetesimal zur Migration • Planet nach innen(aussen) Entstehung von Planetensystemen - Entwicklung von Planetensystemen Benjamin Mück

50. Migration durch Planetesimale II Sonnensystem: • Äußere „Eis“ – Planeten wandern nach aussen, Jupiter nach innen • Jupiter wirft Planetesimale nach aussen, die Anderen streuen sie nach innen, wo sie von Jupiter entfernt werden Entstehung von Planetensystemen - Entwicklung von Planetensystemen Benjamin Mück