Modelle rotationssymmetrischer, kollisionsdominierter Trümmerscheiben

Löhne, Torsten GND

Die vorliegende Arbeit behandelt Modelle der Größenverteilung und der räumlichen Verteilung des Materials in sogenannten zirkumstellaren Trümmerscheiben mit Rotationssymmetrie. Diese Scheiben, die als Überbleibsel der Planetenenstehung betrachtet werden, umkreisen Hauptreihensterne und bestehen aus Objekten von submikrometergroßem Staub bis möglicherweise hin zu Planetesimalen von einigen hundert Kilometern Durchmesser. Kollisionen und das Herauswerfen sehr kleinen Staubes durch den stellaren Strahlungsdruck führen bei ansonsten ungestörten Scheiben zu einem stetigen Ausdünnen. Als Werkzeug zur Modellierung wurde dabei einerseits eine numerische Implementierung der kinetischen, statistischen Theorie verwendet. Andererseits wurden analytische Näherungen zur Verifizierung und Interpretation der erhaltenen Ergebnisse entwickelt. Am Beispiel der Trümmerscheibe um Wega wurden erwartete typische Wellen in der Staubgrößenverteilung bestätigt sowie die Produktions- und verlustrate ungebundener Kleinstmeteoroiden bestimmt. Dabei wurde festgestellt, dass die andernorts empirisch ermittelte große Menge dieses vom Strahlungsdruck dezimierten kleinsten Staubes im Widerspruch steht zu den hier erhaltenen numerischen Ergebnissen sowie zu grundlegenden Argumenten. Desweiteren konnte allgemeingültig die radiale Abhängigkeit der Dichte der von einem Planetesimalgürtel erzeugten Staubverteilung numerisch bestimmt werden. Diese wird von lose gebundenen Staubteilchen auf hochexzentrischen Bahnen dominiert. Bezüglich der Langzeitentwicklung einer Trümmerscheibe konnte festgestellt werden, dass diese maßgeblich bestimmt wird vom Übergang der Population der großen und größten Planetesimale von der in der Wachstumsphase entstandenen Größenverteilung hin zum Gleichgewicht zerstörerischer Kollisionen. Relevant ist dies sowohl unmittelbar für den zeitlichen Verlauf der Masse und der Leuchtkraft des beobachtbaren Staubes als auch indirekt für die daraus gefolgerte Gesamtmasse einer Scheibe. Es konnte gezeigt werden das die gemachten Vorhersagen mit Beobachtungsstatistiken vereinbar sind. Mittels Numerik und Analytik wurden Skalierungsregeln ermittelt. Diese Regeln beschreiben die Abhängigkeit der Kollisionszeitskalen von Scheibenmasse, Scheibenradius und mittlerer Bahnexzentrizität der Planetesimale.

The subject of the work presented here has been models of the size distribution and the spatial distribution of the material in rotationally symmetric so-called debris disc around main-sequence stars. These discs, which are considered remnants of the formation of planetary systems, are an ensemble of objects from sub-micron-sized dust to planetesimals with diameters up to hundreds of kilometres. Mutual collisions and the ejection of very small dust by the stellar radiation pressure lead to a steady decay of otherwise unperturbed debris discs. The models used are a numerical implementation of the kinetic theory of statistical physics as well as analytic approximations intended for verification and interpretation. Exemplified by the debris disc found around Vega, the expected wavy size distribution in the dust regime is confirmed, and the production and loss rate is determined for the unbound micro-meteoroids that are ejected from the system due the stellar radiation pressure. It is concluded that the elsewhere proposed high abundance of those unbound grains is incompatible with the numerical results presented here and with more fundamental considerations. A general conclusion is drawn concerning the radial distribution of dust produced by a planetesimal belt: it is dominated by barely bound grains on highly eccentric orbits. The long-term evolution of a debris disc is shown to be dominated by the slow transition of the population of planetesimals from the size distribution set in the planet formation and growth phase to the steady-state size distribution defined by disruptive collisions. This transition is directly relevant to the temporal evolution of the observable dust masses and luminosities and indirectly to the deduced total disc masses. The developed models are compatible with observational statistics. From numerics and analytics, scaling laws are derived for the dependence of the collisional timescales on the disc mass, the radial distance to the star, and the planetesimals' orbital eccentricities.

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Löhne, Torsten: Modelle rotationssymmetrischer, kollisionsdominierter Trümmerscheiben. 2008.

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