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Planeten entstehen, indem Staub und Gestein in einer Scheibe um einen jungen Stern kollidieren und sich zu immer größeren Körpern verbinden. Diese so genannte Akkretion ist bislang nicht vollständig verstanden. Astrophysiker der UDE konnten durch Experimente in einer Forschungsrakete wesentliche Beobachtungen zu Kollisionsgeschwindigkeit und elektrischer Ladung der Partikel machen. Ihre Ergebnisse wurden soeben in Nature Astronomy* veröffentlicht.
Bis aus einem mikrometerfeinen Staubkorn ein Planet mit einem Ausmaß von 10.000 Kilometern wird, vergehen Millionen von Jahren. Alles beginnt in einer scheibenförmigen Wolke aus Gas (99 Prozent) und Staub (1 Prozent), der protoplanetaren Scheibe: Hier stoßen die Staubpartikel zusammen und bilden Agglomerate. Wolken dieser Agglomerate kollabieren schließlich zu größeren Körpern, die Planetesimale genannt werden und bereits einen Durchmesser von ein bis hundert Kilometer haben können. Durch Gravitation ziehen die Planetesimale weitere Materie an, wachsen zu Protoplaneten und später zu vollwertigen Planeten heran.
Bei den Vorgängen in der Scheibe setzen die Partikel eine Kollisionsbarriere außer Kraft. „Eigentlich ist es nämlich so, dass Staubkörner ab etwa einem Millimeter Größe gar nicht wachsen können, weil sie voneinander abprallen oder sie beim Zusammenstoß zerbrechen“; erklären die Astrophysiker Prof. Dr. Gerhard Wurm und PD Dr. Jens Teiser. „Dadurch aber, dass sie immer wieder kollidieren, laden sie sich unterschiedlich auf und ziehen sich dann gegenseitig an.“
Die Haftung durch elektrostatische Aufladung hatte ihr Team schon in vorherigen Fallturmexperimenten beobachtet. Weil dabei nur knappe neun Sekunden Messzeit in Schwerelosigkeit möglich sind, konnten sie die finale Größe und die Stabilität der wachsenden Körper nicht untersuchen. Ganz anders in den Experimenten der aktuellen Studie: Sie fanden auf einer Forschungsrakete der Europäischen Weltraumorganisation ESA statt. „Während die Rakete auf 270 Kilometer Höhe aufstieg, bot sie uns sechs Minuten Schwerelosigkeit, unsere Experimente vom Boden aus zu steuern und zu verfolgen“, so Teiser.
Das UDE-Team konnte dadurch das Wachstum von kompakten Agglomeraten von etwa drei Zentimetern Größe direkt beobachten und genau messen, mit welcher Geschwindigkeit einzelne Partikel höchstens aufprallen dürfen, um nichts zu zerstören. „Die Agglomerate sind so stabil, dass sie den Beschuss von einzelnen Partikeln mit bis zu 0,5 Meter pro Sekunde aushalten. Alles darüber hinaus erodiert“, betont Astrophysiker Wurm. „Zusätzlich haben wir numerische Simulationen durchgeführt, die zeigen, dass es durch die Kollisionen tatsächlich zu einer starken elektrostatischen Aufladung und Anziehung kommt.“
„Derart konkrete Geschwindigkeiten für Erosion zu finden, hat uns überrascht“, ergänzt Teiser. „vor allem da sie nahe an jenen Werten liegen, die in früheren Simulationen für die Fragmentation verwendet wurden, also für das Zerbrechen von Partikeln oder Objekten.“ Das heißt, dass die physikalischen Bedingungen ähnlich sind, unter denen Material in der scheibenförmigen Wolke um einen jungen Stern abgetragen oder zerbrochen wird.
Die Ergebnisse des UDE-Teams fließen in physikalische Modelle zu protoplanetaren Scheiben und zum Partikelwachstum ein und helfen somit, die Details der Planetenbildung zu verstehen.
Die Forschungen wurden vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) sowie vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klima gefördert.
Im Bild:
Geladene Partikel haben sich zu einem Agglomerat verbunden.
Prof. Dr. Gerhard Wurm, Astrophysik, Tel. 0203/37 9-1641, gerhard.wurm@uni-due.de
PD Dr. Jens Teiser, Astrophysik, Tel. 0203/37 9-2959, jens.teiser@uni-due.de
Geladene Partikel haben sich zu einem Agglomerat verbunden.
© AG Wurm
Merkmale dieser Pressemitteilung:
Journalisten, Lehrer/Schüler, Studierende, Wissenschaftler
Chemie, Energie, Physik / Astronomie, Umwelt / Ökologie
überregional
Forschungsergebnisse, Forschungsprojekte
Deutsch
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