Planetenbildung bei Protosternen · Es ist klar, dass … Planeten entstehen gemeinsam mit ihren...
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Planetenbildung bei Protosternen
Max Camenzind – Akademie HD - 2019
Info
Am 1. Mai keine Veranstaltung !
Am 8. Mai bitte
€ 40,- für Nördlingen
mitbringen
Sterne und
Planeten entstehen
aus Molekül- wolken
Molekülwolke
Protostern & Scheibe
Planetensystem Kollaps
Fragmentation
Die ersten Theorien …
Die ersten naturwissenschaftlichen Theorien über den Ursprung des Sonnensystems stammen aus dem 18. Jahrhundert. Aus der Tatsache, dass sich alle Planeten in gleicher Richtung und mehr oder weniger in einer Ebene um die Sonne bewegen, schlossen Immanuel Kant und Pierre-Simon Laplace, dass das Sonnensystem aus einer Staub- und Gasscheibe entstanden sein muss, die einst um die junge Sonne rotierte.
Es ist klar, dass …
Planeten entstehen gemeinsam mit ihren Zentralsternen im Urnebel aus Gas und Staub. Auf welche Weise das Wachstum vom mikroskopischen Staubkorn bis zum Planeten in allenEntwicklungsstufen vor sich geht, ist noch längst nicht geklärt. Seit der Entdeckung extrasolarer Planeten lassen sich aber erstmals Theorien an einer Vielzahl von Planeten-systemen überprüfen.
Inhalt
• Planeten entstehen immer bei massearmen Sternen im Protostern-Stadium, M < 2 MS:
• Massearme Protosterne sind immer von Gas- und Staubscheiben umgeben.
• Es entsteht immer eine Palette von Sternen die Massenverteilung der Sterne.
• Wege zur Bildung von Planeten: das 5-Stufen-Modell.
• Der Weg zu Gesteinsplaneten.
• Der Weg zu Gasplaneten.
Sonnenartige und massearme Protosterne sind von einer Gas- und Staubscheibe umgeben Daraus bilden sich in einigen Mio. Jahren Planeten
Protostern – Scheibe und Jets
Der Weg zum Protostern
100.000 AE ------------------------------ 0,1 AE
+ H-Ionisation
Protostern
HL-Track
Freifall-Zeit
Post-Main-Sequence
Protostern
Hayashi-Track
Hay
ash
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Machida 2014
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Salpeter Mass-
Function (1955)
a = 2,35
Abflachen für
m < 1 MS
dn/dm ~ m-a
für m > 1 MS
Massearme Sterne
Massereiche Sterne
Massenverteilung RHD Simulationen
M. Bate, arXiv:1901.03713
Sterne bilden sich im Verband Plejaden M45: 1200 Sterne / 125 Mio. Jahre alt
Scheibe von Nebra mit Plejaden
Sternhaufen der Hyaden: 150 LJ entfernt / ~ 350 Sterne / 625 Mio. Jahre alt
Massen-verteilung
IMF junger
Sternhaufen
Der typische Stern hat 0,1<M<1,0 MS Nur sehr wenige massereiche Sterne !
Massearme Sterne
Massereiche blaue Sterne
Massearme Protosterne
• Gravitations-Kontraktion längs Hayashi-Track ist langsamer für massearme Protosterne:
• etwa 30 Mio. Jahre für 1 Sonnenmasse • etwa 1 Mrd. Jahre für 0,2 Sonnenmassen. • Wenn die Zentraltemperatur 10 Mio. K
übersteigt: • können pp-Fusionsketten zünden; • Sternenwinde blasen den Cocoon und das
Gas in der Scheibe weg; • Der Stern setzt sich auf die Hauptreihe.
Die minimale Sternmasse
• Unter 0,08 Sonnenmassen erreichen die Sterne zu geringe Zentraltemperatur, um die Fusion in Gang zu bringen.
• Die Objekte werden dann zu Braunen Zwergen,
• Objekte ähnlich wie heiße Jupiter; • gewinnen ihre Energie nur aus der Kelvin-
Helmholtz-Kontraktion; • bilden die T-Klasse in der Harvard-
Klassifikation, d.h. sichtbar nur im IR.
Kumulative Massenverteilung
arXiv:1901.03713
95% aller Sterne haben Massen unter einer Sonnenmasse
Bruchteil an Mehrfach-Sternen Multiplizität nimmt mit der Masse zu
arXiv:1901.03713
6 Phasen der Planetenbildung
Protostern
Scheibe aus Gas und Staub
Staub koaguliert
5-Stufen-Modell der Planetenbildung
Grafik: J. Blum, TU Braunschweig
Nach dem Kollaps haben wir ein Objekt, das wie Stern aussieht, umgeben von
einer Gas- und Staubscheibe
Scheiben um junge Sterne
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ALMA @ Chajnantor 5000 müM
ALMA Interferometer ESO
ALMA: 150 m – 16 km / 0,3 – 9,6 mm
ALMA Korrelator
ALMA (u,v)-Fourier-Ebene
ALMA -------------
Proto-planetare Scheiben
ALMA – Protoplanetare Scheiben
Hubble – SPHERE - ALMA
Protoplanetare Scheibe mit SPHERE
Credit: ESO/H. Avenhaus et al./E. Sissa et al./DARTT-S and SHINE collaborations IM Lupus
Auflösung Protoplanetare Scheiben
• Ausdehnung Staubscheibe = 100 AE = 650 mas für die Taurus-Region (d = 140 pc)
• Der Scheibeninnenrand wird durch Proto-stern-Radius bestimmt ~ 0,1 AE.
• Char. Winkeldurchmesser in d = 150 pc • q = LScheibe/d = 1 AE / 150 pc = 1 AE/(150 x 206.264 AE) = 1,2 x 10-8 rad = 0,0067 arcsec = 6,7 mas Auflösungsvermögen von ALMA @ 300 GHz: q = l/BLmax = l/16000 m [Arraydurchmesser] = 1,0 mm/16000 m = 6,5 x 10-8 rad = 12,9 mas 6 - 20 mas (ALMA)
Pro
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Struktur einer protostellaren Scheibe
Planeten entstehen in Scheiben 1 – 5 Mio. Jahre alte Scheibe
Copyright © 2013 American Chemical Society
Staub sublimiert
Die Eislinie (Schneelinie, snow line) beschreibt in einer protoplanetaren Scheibe denjenigen Abstand vom Protostern, an dem die Temperatur einen Wert (150 K) erreicht, bei dem Wassereis aus dem Gas der Scheibe desublimiert (bei Drücken unter ca. 6 mbar existiert Wasser nicht mehr in flüssiger Form, sondern nur noch als Gas/Dampf oder Eis).
Die Temperatur in der protostellaren Scheibe fällt nach außen hin ab –
am Außenrand (100 AE) richtig kalt !
Von Staubteilchen zu Planetesimalen & Asteroiden
Kondensation von Staubteilchen
Die erste Stufe des Staubwachstums in der protoplanetaren Wolke wird durch die Brownsche Molekularbewegung angetrieben. Stoßen zwei Staubkörner zusammen, so haften sie aneinander. Wir reden hier von Mikrometer großen Partikeln, bei denen die Deformierbarkeit der Oberflä-che noch eine Rolle spielt. Zwei Staubkörner haften quasi wie zwei Seifenblasen aneinander, die einen gemeinsamen Hals ausbilden und ihre Oberfläche dabei verringern.
Schneeball-Effekt: Staubteilchen wachsen zu größeren Strukturen
In der Gasscheibe wirken Teilchen des interstellaren Staubes, wie präsolare Minerale im Sonnennebel, als Kondensationskeime und Katalysatoren für chemische Reaktionen. Sie bilden durch Kondensation Tröpfchen und feste Teilchen. Stoßen solche Kondensate mit niedriger Geschwindigkeit zusammen, so verkleben sie aufgrund der Oberflächenhaftung oder durch chemische Bindungen miteinander. Diese Koagulation führt bei fortschreitender Zusammenballung zu größeren Agglomerationen und somit zu den ersten Planetesimalen. Größere Planetesimale wachsen zunehmend mit Hilfe ihrer Gravitation.
4.6-billion-year-old, sparkly, green meteorit
Ein 4,6 Milliarden Jahre alter grüner Meteorit
Steinmeteoriten machen 94 % der Anzahl aller Meteoriten aus. Sie bestehen hauptsächlich aus
Pyroxen-, Olivin- und Plagioklas-Mineralen.
Embryos wachsen zu Asteroiden (Asteroidengürtel) und Eisklötzen
Bildung von Gesteinsplaneten
Wachstum von
Asteroiden und
Massen- verteilung ------------- Computer Simualtion
Embryos der Planeten - Asteroidengürtel
Kollision von
Asteroiden
Die Planeten des Sonnensystems - Bis auf Asteroidengürtel leer geräumt
Verstehen wir Planetenbildung ?
Wie haben sich Jupiter & Saturn gebildet ? Zentrale Frage: Enthält der Jupiter eine Super-Erde?
Bild: JunoCam/NASA/JPL
Bildung von Gasplaneten (Jupiter)
• Wenn die Masse des Gesteinsplaneten etwa 10 Erdmassen erreicht (Super-Erde), beginnt der Planet Gas von der Scheibe zu akkretieren über Gravitationseffekte.
• Da die Gasmasse in der Scheibe die Staubmasse bei weitem übertrifft, können diese Gas-Planeten beträchtlich wachsen.
Bildung einer Lücke in Scheibe
Wenn Planeten genügend anwachsen, bildet sich um den Planeten eine Lücke in der Scheibe
und das Wachstum wird beendet.
Lücken in Scheiben Planeten
PDS 70 – Jupiter im Wachstum
Bild: VLT/SPHERE 2018
Stern-Masse: 0,82 MS
Alter: 10 Mio. Jahre Temperatur: 4400 K Entfernung: 370 LJ Planet: Jupiter Temperatur: 1000 C Halbachse: 20 AE Umlaufperiode: 120 Jahre
2 Planeten bilden sich um den jungen Stern
HD 169142, der in einer Entfernung 470 LJ liegt
Bild: ALMA
Computersimulation Jupiter-Bildung
ß Pictoris – 100 AE Scheibe Der Stern ist etwa 20 Mio. Jahre alt
Anne-Marie Lagrange, NACO, VLT, ESO
Der Stern Beta Pictoris ist mit etwa 20 Mio. Jahren noch extrem jung und befindet sich erst am Beginn der Hauptreihen-phase. Er befindet sich in einer Entfernung von etwa 63 Lichtjahren. 1983 wurde mit dem Infrarot-satelliten IRAS um ß Pictoris eine Staubscheibe entdeckt. Bild: NACO/VLT
PDS 70 Vergleich
mit Saturn Orbit VLT/
NACO
VLT Aufnahmen – Planet etwa Saturnbahn
Sternfabrik Lupus 3
Eine dunkle Wolke aus kosmischem Staub schlängelt sich durch diese spektakuläre Weitwinkelaufnahme der Sternenbildungsregion Lupus 3. In ihr entstehen hell leuchtende, heiße Sterne aus kollabierenden Gas- und Staubmassen. Weil dieser Staub das Licht der jungen Sterne absorbiert und streut, erscheint er fast pechschwarz. Solche Nebel werden daher auch Dunkelwolken oder Absorptionsnebel genannt. [Bild: VLT-Survey Teleskop]