Die Rolle der Staubkoagulation bei der Planetenentstehung

Die Aufenthaltsdauer von Staub in protoplanetaren Scheiben ist
zeitlich begrenzt, da die Staubmaterie durch Reibung mit dem Gas an
Drehimpuls verliert und auf das Zentralgestirn driftet. In einer
turbulenten Scheibe geschieht dies in Zeitspannen, die kürzer sind,
als die typischen Wachstumszeitskalen von Staub hin zu Planetesima-
len, so daß nicht mehr ausreichend Staubmaterie zur Planetenbildung
zur Verfügung steht. Diese Zeitskalenproblematik wird in der
vorliegenden Arbeit anhand eines konvektiv- turbulenten
Scheibenmodells ausführlich diskutiert. Da eine globale Sichtweise
der Staubentwicklung erwünscht ist, wird einem analytischen Modell
gegenüber einem numerischen der Vorzug gegeben. Es werden die
hydrodynamischen Gleichungen in radialer und vertikaler Richtung
unabhängig voneinander für Bedingungen in einer protoplanetaren
Scheibe weitestgehend gelöst und im Grenzfall analytische Nähe-
rungen vorgeschlagen. Die Einführung einer stationären Lösung für
die vertikale Verteilung der Staubmaterie ermöglicht es, eine
Verbindung zwischen theoretischem Modell und beobachtbaren Größen
wie Akkretionsrate und Opazität herzustellen. Um das Problem der
Wachstumszeitskalen zu lösen, wird erstmals die Fragestellung
diskutiert, ob die Aufladung von Staub den Wachstumsprozeß in
protoplanetaren Scheiben beschleunigen kann. Bei den bisherigen
Rechnungen zur Staubkoagulation wurde allein der geometrische
Koagulationsquerschnitt berücksichtigt. In Experimenten zum
Wachstum von geladenen Staubpartikeln, die im Vorfeld dieser
Dissertation in Zusammenarbeit mit dem MPE unter den Bedingungen
der Schwere- losigkeit auf der Internationalen Raumstation
durchgeführt wurden, wurde erstmals der Effekt der
Coulomb-dipolinduzierten Gelierung (einer Art Runaway-Wachstum) von
Staub nachgewiesen. In einem System mikropshärischer, zu gleichen
Teilen nega- tiv und positiv geladener Staubpartikel bilden sich
dabei innerhalb weniger Sekunden sog. Runaway-Agglomerate, die ∼
10% der Gesamtmasse des Systems enthalten. Die Auswertung einiger
dieser Experimente ist ebenfalls Bestandteil dieser Arbeit.
Basierend auf den Ergebnissen dieser Experimente wird überprüft,
inwieweit die Be- dingungen in einer protoplanetaren Scheibe für
Coulomb-dipolinduzierte Gelierung von Staub gegeben sind. Dabei
wird ersichtlich, daß durch diesen neuen Wachs- tumsprozeß das
Staubwachstum in bestimmten Regionen der jungen protoplaneta- ren
Scheibe deutlich vorangetrieben werden kann. Durch das
Zusammenwirken von beschleunigtem Staubwachstum und der dadurch
bedingten Änderung der Opazi- tät verändern sich die turbulenten
Eigenschaften der Scheibe. Zum einen führt dies zur Sedimentation
von Staub, so daß sich in der Mittelebene eine dichte Staub-
schicht herausbildet, die gravitativ instabil werden kann. Zum
anderen wird weitere Akkretion unterbunden, so daß ausreichend
Staubmaterie für die folgenden Schrit- te der Planetenentstehung
erhalten bleibt. Damit wird in dieser Arbeit ein Weg zur
Überwindung der Problematik der Wachstumszeitskalen bei der
Planetenentstehung aufgezeigt.