Problems of planetesimal formation, radiation pressure, gas-dust interaction and photophoresis in astrophysical and planetary environments
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Schwerpunkte des Projekts lagen auf der Untersuchung einer Reihe von physikalischen Prozessen in protoplanetaren Scheiben und einer ersten Anwendung einiger dieser Prozesse auf die Marsoberfläche. Spezifischer wurde unter anderem die Entstehung dezimetergroßer Körper in protoplanetaren Scheiben – eine Frühphase der Planetenentstehung – untersucht. In Laborexperimenten wurde gezeigt, dass ein Wachstum in Stößen zwischen Staubaggregaten in diesem Größenbereich einfach möglich ist. Es wurde weiterhin gezeigt, dass auch Wachstum über diese Größe hinaus (Metergröße) bei hohen Kollisionsgeschwindigkeiten (50 m/s) eingeschränkt möglich ist. Hier ist das Wachstum sensitiv von der Größe der Projektile abhängig. Prinzipiell kann man, aufbauend auf den Ergebnissen des Projekts, ein Modell der Planetesimalentstehung konstruieren, das allein auf haftenden Stößen basiert. Die Ergebnisse stellen einen wichtigen Schritt in unserem grundlegenden Verständnis zur Planetenentstehung sowohl im Sonnensystem als auch um andere Sterne dar, gegenwärtig einer der Hauptschwerpunkte astrophysikalischer Forschung. Ein Prozess, der eng verbunden ist mit der Planetenentstehung, Struktur und Zusammensetzung protoplanetarer Scheiben ist Partikeltransport. In diesem Zusammenhang wurden Strahlungsdruck und Photophorese als Transportmechanismen untersucht. Im Rahmen von Laborexperimenten konnte gezeigt werden, dass Strahlungsdruck bei nicht-kugelförmigen (realistischen) mikrometergroßen Partikeln eine signifikante Komponente senkrecht zur Lichtrichtung aufweist. Diese Komponente ändert die Dynamik und Lebensdauer der Partikel in zirkumstellaren Scheiben erheblich. Photophorese wurde von uns vor Beginn des Projekts erstmals auf protoplanetare Scheiben angewendet. Sie erwies sich als sehr interessant, da ihre Stärke die gravitative Anziehung kleiner Partikel durch einen Stern um Größenordnungen überwiegen kann. Photophorese ist die Bewegung eines Partikels in einem dünnen Gas durch Strahlung. Dies kann sowohl die optische Strahlung eines Sterns aber auch die thermische Strahlung einer protoplanetaren Scheibe sein. Angefangen bei einfachen Modellen des Partikeltransports in protoplanetaren Scheiben bis hin zu Laborexperimenten konnte dieser junge Forschungszweig auf ein solides Fundament gestellt werden. Photophorese ist zu verschiedenen Zeiten an verschiedenen Orten in der Entwicklung protoplanetarer Scheiben von Bedeutung und sie hat das Potential, Antworten auf einige bislang ungelöste Fragen zu liefern, z.B. die Existenz und Eigenschaften verschiedener Komponenten in Meteoriten und Kometen (CAIs, Chondren) durch photophoretischen Transport durch und über die protoplanetare Scheibe. Im Detail konnten zahlreiche Ergebnisse in dieser Richtung erzielt werden. Dieser Forschungszweig hat sich während des Projekts durch das breite Anwendungspotential und die große Zahl unterschiedlicher Parameter, die berücksichtigt werden können, stark verzweigt und zu einem Schwerpunkt der Arbeiten entwickelt. Auf einer verwandten Physik von thermodynamischen Nichtgleichgewichten aufbauend wurden neue Mechanismen entdeckt, wie Körper, die aus Staubpartikeln bestehen, in einer dünnen Atmosphäre durch Strahlungseinfall erodiert werden. Anwendung findet dies wieder in protoplanetaren Scheiben, in denen kleinere Körper zerstört und ihr Material recycelt wird. Die entstehenden Staubpartikel könnten einen Teil des Staubes darstellen, der in protoplanetaren Scheiben über deren gesamte Lebenszeit beobachtet wird. Im Zusammenhang mit der Staubphysik auf der Marsoberfläche ist eine alte Frage, wie der Staub bei dem geringen Atmosphärendruck in die Atmosphäre gelangen kann. Hier können die untersuchten Erosionsprozesse dazu führen, dass Staub von der Oberfläche angehoben wird, was die Existenz von Staubteufeln oder globalen Marstürmen erklärt. Die Effekte könnten sich auch für die zukünftige Erforschung des Mars als wichtig erweisen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Greenhouse and Thermophoretic Effects in Dust Layers: The Missing Link for Lifting Dust on Mars. Geophysical Research Letters, 35:L10201 1-5, 2008
G. Wurm, J. Teiser, and D. Reiss
- The Growth Mechanisms of Macroscopic Bodies in Protoplanetary Disks. Annual Review of Astronomy and Astrophysics, 46:21-56, 2008
J. Blum and G. Wurm
- Decimetre Dust Aggregates in Protoplanetary Discs. Astronomy and Astrophysics, 505:351-359, 2009
J. Teiser and G. Wurm
- Outward Transport of CAIs during FU-Orionis Events. Meteoritics and Planetary Science, 44:689-699, 2009
G. Wurm and H. Haack
- Self-sustained Levitation of Dust Aggregates Ensembles by Temperature Gradient Induced Overpressures, Physical Review Letters, 103:215502 1-4, 2009
T. Kelling and G. Wurm
- Experiments on the Photophoretic Motion of Chondrules and Dust Aggregates – Indications for the Transport of Matter in Protoplanetary Disks, Icarus, 208:482-491, 2010
G. Wurm, J. Teiser, A. Bischoff, H. Haack, and J. Roszjar
