Mikropartikel-Staubaggregate, von denen angenommen wird, dass sie bei der Entstehung neuer Planeten eine Rolle spielen, haften nach einer Kollision weniger wahrscheinlich zusammen, wenn die Aggregate größer sind.
Aktuelle Erkenntnisse deuten darauf hin, dass Mikropartikel kosmischen Staubs kollidieren und zusammenkleben, um größere Staubaggregate zu bilden, die sich schließlich verbinden und zu Planeten entwickeln können. Numerische Modelle, die genau die Bedingungen charakterisieren, die erforderlich sind, damit kollidierende Mikropartikelaggregate zusammenhalten und nicht auseinanderprallen, sind daher für das Verständnis der Planetenentwicklung von größter Bedeutung. Jüngste Modellierungen deuten darauf hin, dass die Wahrscheinlichkeit, dass Staubaggregate nach einer Kollision zusammenkleben, mit zunehmender Größe der Aggregate geringer ist.
Ein Team von Astrophysikern führte numerische Simulationen von Staubaggregatkollisionen durch, wobei Aggregate gleicher Masse eine Größe zwischen 10.000 und 140.000 Mikrometern hatten, und zwar mithilfe der Methode der diskreten Soft-Sphere-Elemente. Das diskrete Modellierungssystem berücksichtigte jedes Partikel innerhalb des Aggregats, anstatt das Aggregat als einzelne Einheit zu behandeln, und die Soft-Sphere-Simulation ging von der Steifigkeit jedes Partikels des Aggregats aus, berücksichtigte jedoch Verformungen, die während der Kollision auftreten können.
Ihre Modellierung zeigte, dass eine Vergrößerung des Radius von Mikropartikel-Staubaggregaten die Klebewahrscheinlichkeit verringerte, d. h. die Wahrscheinlichkeit, dass zwei Aggregate zusammenkleben und nach einer Kollision ein größeres Aggregat bilden würden. Die Ergebnisse ihrer Studie veröffentlichte das Team im Astrophysikalische Tagebuchbriefe.
„Der Entstehungsprozess von kilometergroßen Körpern, Planetesimalen, aus kosmischem Staub, der das Anfangsstadium der Planetenentstehung darstellt, war eines der größten Probleme in der Theorie der Planetenentstehung“, sagte Hidekazu Tanaka, einer der Autoren der Studie und Professor am Astronomischen Institut der Graduate School of Science der Tohoku-Universität in Sendai, Japan.
„Die vorliegende Studie hat gezeigt, dass die Staubklumpen, aus denen Planeten bestehen, nicht mehr wachsen, wenn sie eine bestimmte Größe erreichen, da es schwierig ist, große Klumpen aneinander zu haften. Unsere Ergebnisse haben das Problem der Planetesimalbildung noch schwieriger gemacht. Das adhäsive Wachstum von Staubklumpen ist ein Schlüsselprozess im Prozess der Planetenentstehung.“
Die Simulationen deuten darauf hin, dass Kollisionen zwischen großen Mikropartikelaggregaten die Bildung von Planetesimalen, also den Bausteinen von Planeten, verringern würden. Planetesimale im Kilometermaßstab bilden Planeten durch Kollisionsverschmelzung durch gegenseitige Schwerkraft.
Frühere Modellierungssimulationen und Laborexperimente zur Charakterisierung der Schwelle für die Haft-/Abprallbarriere von Staubaggregatkollisionen führten häufig zu widersprüchlichen Ergebnissen, was nach der Hypothese des Forschungsteams und anderer auf unterschiedliche Aggregatgrößen zurückzuführen war. Die Ergebnisse der aktuellen Studie stützen diese Hypothese.
Es ist derzeit unklar, warum die Größe der Aggregate die Haftwahrscheinlichkeit bei einer Kollision beeinflusst. Zukünftige Studien, die darauf abzielen, die Packungsstruktur von Aggregaten im Laufe der Zeit zu analysieren, könnten Wissenschaftlern helfen zu verstehen, wie Aggregate die Größe von Planetesimalen erreichen können. Untersuchungen der Kontaktstellen zwischen Aggregaten, an denen nach einer Kollision die meiste Energie verloren geht, könnten auch Aufschluss darüber geben, wie größere Aggregate letztendlich zusammenhalten.
Darüber hinaus deuten die vom Forschungsteam durchgeführten Simulationen darauf hin, dass die Haftwahrscheinlichkeit von Partikelaggregaten auch von der Größe der einzelnen Partikel, aus denen das Aggregat besteht, und nicht nur vom Radius des gesamten Aggregats beeinflusst werden kann.
Das Team räumt ein, dass die in dieser Studie durchgeführten Simulationen alles andere als umfassend sind. Es werden Simulationen durchgeführt, die Aggregate umfassen, die durch realitätsnahe Verfahren hergestellt werden können und sich mit der Beschleunigung befassen. Darüber hinaus sind Laborexperimente zur Feinabstimmung des Modells geplant.
Über diese Simulationen hinaus hat das Team größere Aggregate im Visier, die aktuelle Theorien zur Planetenentwicklung grundlegend verändern könnten. „Wir werden mithilfe eines Supercomputers groß angelegte numerische Simulationen von Kollisionen zwischen noch größeren Staubklumpen durchführen, um zu untersuchen, wie schwierig es für große Staubklumpen ist, sich aneinander zu binden. Dies wird dazu beitragen, die Frage zu klären, ob die Bildung von Planetesimalen durch die Anhaftung von Staubklumpen möglich ist oder nicht“, sagte Tanaka.
Mehr Informationen:
Sota Arakawa et al., Größenabhängigkeit der Sprungbarriere beim protoplanetaren Staubwachstum, Die astrophysikalischen Tagebuchbriefe (2023). DOI: 10.3847/2041-8213/acdb5f