Modellierung großer Planeten

• Applicant: Professor Dr. Ronald Redmer
• Subject Area: Astrophysics and Astronomy
• Term: from 2008 to 2015
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 57976546

• Final Report Year: 2015

Final Report Abstract

Im Projekt wurden erstmals Modelle zum inneren Aufbau und zur thermischen Evolution von großen Planeten entwickelt, die vollständig auf ab initio EOS-Daten für das H-He-Gemisch und die schwereren Elemente (Metalle) basieren und somit bisherige Unsicherheiten chemischer Modell-Zustandsgleichungen vermeiden. Die konkreten Rechnungen wurden für den Planeten Saturn im Rahmen von Zwei- und Dreischichtenmodellen durchgeführt, für den der Einfluss der H-He-Entmischung seit langem kontrovers in der Literatur diskutiert wird. Die im Projekt erzielten Ergebnisse belegen den großen Einfluss der Entmischung und des damit verbundenen vertikalen Massentransports (“helium rain”), der eine deutliche Erhöhung der Luminosität des Planeten und damit eine Verlangsamung der Abkühlrate zur Folge hat. Die im Projekt erhaltenen Szenarien für die thermische Evolution des Planeten Saturn weisen außerdem darauf hin, dass die bisherigen Ergebnisse zum H-He-Phasendiagramm überprüft werden müssen. Insbesondere sollten in den DFT-MD-Simulationen weitere Effekte wie van-der-Waals–Kräfte und eine verbesserte Bandlücke (relevant für den Nichtmetall-Metall-Übergang im Wasserstoff) untersucht werden. Die Behandlung dieser Probleme sowie die Anwendung der hier entwickelten Methode auf Jupiter und extrasolare Planeten bleibt weiterführenden Arbeiten vorbehalten.

Publications

• Jupiter models with improved ab initio hydrogen equation of state (H-REOS.2), Astrophys. J. 750, 52 (2012)
  Nettelmann N., Becker A., Holst B., Redmer R.
  (See online at https://doi.org/10.1088/0004-637X/750/1/52)
• Isentropic compression of hydrogen: Probing conditions deep in planetary interiors, Phys. Rev. B 88, 045122 (2013)
  Becker A., Nettelmann N., Holst B., Redmer R.
  (See online at https://doi.org/10.1103/PhysRevB.88.045122)
• Saturn layered structure and homogeneous evolution models with different EOS, Icarus 225, 548-557 (2013)
  Nettelmann N., Püstow R., Redmer R.
  (See online at https://doi.org/10.1016/j.icarus.2013.04.018)
• Ab initio equations of states for hydrogen (H-REOS.3) and helium (He-REOS.3) and their implications for the interiors of Brown Dwarfs, Astrophys. J. Suppl. 215, 21 (2014)
  Becker A., Lorenzen W., Fortney J.J., Nettelmann N., Schöttler M., Redmer R.
  (See online at https://doi.org/10.1088/0067-0049/215/2/21)
• H/He demixing and the cooling behavior of Saturn. Icarus, Volume 267, 15 March 2016, Pages 323-333
  Püstow R., Nettelmann N., Lorenzen W., Redmer R.
  (See online at https://doi.org/10.1016/j.icarus.2015.12.009)