Statistical study of extrasolar Kuiper belts with Herschel/DUNES
Final Report Abstract
In diesem Projekt untersuchten wir die Entwicklung und die mögliche Entstehungsgeschichte von Systemen mit Trümmerscheiben. Unser Hauptziel war dabei, Trends in Statistiken aus Beobachtungsdaten aufzuzeigen und Mechanismen zu identifizieren, die die Scheiben während ihrer Entstehung und dem folgenden langsamen Vergehen formen. Dank unserer Beteiligung am Schlüsselprogramm “DUNES” (DUst around NEarby Stars) des Herschel-Weltraumteleskops konnten wir neue Beobachtungsdaten mit unserer Expertise in kollisionsgetriebenen Entwicklungsmodellen für Trümmerscheiben kombinieren. In diesem mächtigen und in dieser Form einzigartigen Ansatz gehen wir von den staubproduzierenden Planetesimalen - Asteroiden und Kometen - über den Staub selbst bis hin zur beobachtbaren Emission im sichtbaren Licht und im fernen Infraroten. Unsere Arbeit resultierte in einem detailreicheren und diversifizierteren Bild einer typischen Trümmerscheibe und ihrer Entwicklung. Die im DUNES-Programm erhaltenen Beobachtungsdaten boten teils überraschende Einsichten in die typischen Strukturen dieser Scheiben, wodurch einfache frühere Entwicklungsmodelle teils obsolet wurden. Wir konnten unser numerisches Kollisionsmodell so anpassen, dass sich verschiedene Entstehungsszenarien für die beobachteten Strukturen untersuchen ließen. Die daneben durchgeführte numerische Simulation der Hauptquelle von Staub im Sonnensystem, dem Edgeworth-Kuiper-Gürtel, weitete zusätzlich die Stichprobe untersuchter Systeme. Wir kamen dabei insgesamt zu folgenden Schlussfolgerungen: 1. Die Eigenschaften von Trümmerscheiben zeigen wenig bis keine Abhängigkeit von den allgemeinen Eigenschaften des Systems und des Zentralsterns. Es gibt keine signifikante Korrelation der Scheibeneigenschaften mit der Temperatur, der Leuchtkraft und der Metallizitat des Sterns. In dieser Hinsicht ähneln sich die Beobachtungsstatistiken von Trümmerscheiben und Planeten niedriger Massen. Das Vorkommen und die Massen von beiden Gruppen sind allerdings nicht miteinander korreliert. Die DUNES-Daten deuten auf einen langsamen Anstieg der typischen Scheibenradien mit steigendem Systemalter hin, was die längeren Entwicklungszeitskalen und die langsamere Erosion in größeren Scheiben widerspiegelt. 2. Warme, innere Staubkomponenten sind allgegenwärtig in Trümmerscheiben, sowohl in spektralen Energieverteilungen als auch in aufgelösten Bildern. In unseren Kollisionsmodellen konnten wir mit zwei verschiedenen Szenarien die Präsenz des warmen Staubs erklären, (a) mit einem zusätzlichen, inneren Gürtel aus staubproduzierenden Planetesimalen in der Zone erdähnlicher Planeten und (b) mittels Staubtransport aus der kalten äußeren Scheibe durch den sogenannten Poynting-Robertson-Effekt. Das Fehlen größerer Teilchen nah am Stern im Szenario (b) kann dazu verwendet werden, in zukünftigen Beobachtungen im Millimeterbereich die beiden sehr verschiedenen Szenarien für die Systemarchitektur zu unterscheiden. 3. Die dynamische Anregung selbst der helleren, staubreicheren Trümmerscheiben ist vergleichsweise gering. Obwohl sie teils 1000-mal so leuchtkräftig und 10 000-mal so staubreich sind wie unser Kuiper-Gürtel, zeigen die helleren Scheiben in der DUNES-Stichprobe eine niedrigere Kollisionsaktivität. Die geringen Kollisionsraten und -geschwindigkeiten führen dazu, dass Transport von Staub nach innen wichtiger ist als zuvor gedacht. Wichtig für statistische Analysen ist, dass typische Staubteilchen deutlich größer sind als die unterere Grenze, die vom Strahlungsdruck des Sterns gesetzt wird. Die in DUNES neu entdeckte Klasse extrem kalter Scheiben konnte daher aus Systemen mit sehr niedriger dynamischer Anregung bestehen. Kollisionen führen dort teils eher zu Wachstum als Zertrümmerung. Gravitativ störende Planetesimale von der Größe Plutos, wie sie aus dem Sonnensystem bekannt sind, konnten in den dynamisch nur schwach angeregten Scheiben nicht oder noch nicht entstanden sein. Einige Aspekte unserer Arbeit wurden für ein breiteres Publikum in öffentlichen Vorträgen, Pressemitteilungen der Universität Jena sowie verschiedenen Artikeln in Online-Medien und lokalen Zeitungen aufbereitet.
Publications
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C. Eiroa, J. P. Marshall, A. Mora, B. Montesinos, O. Absil, J.-Ch. Augereau, A. Bayo, G. Bryden, W. Danchi, C. Del Burgo, S. Ertel, M. Fridlund, A. M. Heras, A. V. Krivov, R. Launhardt, R. Liseau, T. Löhne, J. Maldonado, G. L. Pilbratt, A. Roberge, J. Rodmann, J. Sanz-Forcada, E. Solano, K. Stapelfeldt, P. Thébault, S. Wolf, D. Ardila, M. Arévalo, C. Beichmann, V. Faramaz, B. M. Gonzáez-Garcia, R. Gutiérrez, J. Lebreton, R. Martinez-Arnaiz, G. Meeus, D. Montes, G. Olofsson, K. Y. L. Su, G. J. White, D. Barrado, M. Fukagawa, E. Grün, I. Kamp, R. Lorente, A. Morbidelli, S. Müller, H. Mutschke, T. Nakagawa, I. Ribas, H. Walker
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A. V. Krivov, C. Eiroa, T. Löhne, J. P. Marshall, B. Montesinos, C. Del Burgo, O. Absil, D. Ardila, J.-C. Augereau, A. Bayo, G. Bryden, W. Danchi, S. Ertel, J. Lebreton, R. Liseau, A. Mora, A. J. Mustill, H. Mutschke, R. Neuhäuser, G. L. Pilbratt, A. Roberge, T. O. B. Schmidt, K. R. Stapelfeldt, Ph. Thébault, Ch. Vitense, G. J. White, S. Wolf
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Ch. Schüppler, T. Löhne, A. V. Krivov, S. Ertel, J. P. Marshall, C. Eiroa
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S. Ertel, J. P. Marshall, J.-C. Augereau, A. V. Krivov, T. Löhne, C. Eiroa, A. Mora, C. Del Burgo, B. Montesinos, G. Bryden, W. Danchi, F. Kirchschlager, R. Liseau, J. Maldonado, G. L. Pilbratt, Ch. Schüppler, Ph. Thébault, G. J. White, S. Wolf
(See online at https://doi.org/10.1051/0004-6361/201219945)
