Entstehung von Galaxien und Planetensystemen
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Sterne & Kosmos Die Entstehung von Galaxien und Planetensystemen Nach einer Abb. Aus dem Buch von :Cammille Flammarion: L'Atmosphère, Paris 1888 4.1 Prof. U. Walter © 2014, LRT Lehrstuhl Raumfahrttechnik Sterne & Kosmos, Vorlesung Literatur T. Bührke, R. Wengenmayr (Herausgeber), Geheimnisvoller Kosmos: Astrophysik und Kosmologie im 21. Jahrhundert, ISBN-10: 3527408991 4.2 Lehrstuhl Raumfahrttechnik Sterne & Kosmos, Vorlesung Prof. U. Walter © 2014, LRT Dichtefluktuationen Die Teilchendichtefluktuationen des PräUniversums wurden durch die Inflation auf kosmische Dimensionen aufgebläht. © D. Leinweber, CSSM Univeristy of Adelaide, Australia © Max Planck Institut für Astrophysik 4.3 Prof. U. Walter © 2014, LRT Lehrstuhl Raumfahrttechnik Sterne & Kosmos, Vorlesung Dichtefluktuationen Galaxien Räumliche Modulationen von Temperatur und Dunkler Materie kurz nach Rekombination Aus der Modulation entstehen großskalige Materie-Filamente mit Durchmesser von 10-100 Mly. Erste extrem massive und daher helle Sterne zünden. Heute: Keine weitere Verdichtung von Materie, da Beschleunigung dies verhindert. Sternenentstehung nimmt ab. © NASA Dies führt zu einer Modulation baryonischer Masse Die Materie-Filamente verdichten sich weiter zu Galaxien und Galaxien-Superclustern. Mehr Sterne unterschiedlicher Größe zünden. 4.4 Lehrstuhl Raumfahrttechnik Sterne & Kosmos, Vorlesung Prof. U. Walter © 2014, LRT Entstehung der kosmischen Struktur Simulation der Dunklen Materie 4.5 Prof. U. Walter © 2014, LRT Lehrstuhl Raumfahrttechnik Sterne & Kosmos, Vorlesung Galaxienhaufen … bilden sich an den 3D Kreuzungen der Filamente des kosmischen Netzes Dunkle Materie Strahlende Materie © NASA 4.6 Lehrstuhl Raumfahrttechnik Sterne & Kosmos, Vorlesung Prof. U. Walter © 2014, LRT © NASA/Hubble 4.7 Prof. U. Walter © 2014, LRT Lehrstuhl Raumfahrttechnik Sterne & Kosmos, Vorlesung © NASA/Hubble Supernovae Verdichtungsstöße Eine Supernova-Explosion löst eine Verdichtungswelle im umgebenden interstellaren Gaswolken aus und trägt gleichzeitig schwere Elemente („Staub“) in diese ein. In diesen Verdichtungsgebieten kollabiert die Gaswolke mit dem eingetragenen Staub und führt zur Geburt neuer Sternensysteme. © NASA/Hubble Eine Supernova erzeugt so typischerweise 1000 neue Sterne. 4.8 Lehrstuhl Raumfahrttechnik Sterne & Kosmos, Vorlesung Prof. U. Walter © 2014, LRT Für eine stabile Wolke gilt der Virialsatz: M, N R M 4R 3 3 Eine Wolke kollabiert typischerweise bei T 10-20K The Witch's Broom Nebula Lehrstuhl Raumfahrttechnik 4.9 Prof. U. © Walter NASA/Hubble © 2014, LRT Sterne & Kosmos, Vorlesung Kollaps der Gaswolke zu neuen Sternen Computersimualtion der Dichteverteilung in einer Gaswolke mit turbulenten Strömungen. Die dichten Klumpen (Saatkerne neuer Sterne) sammeln sich entlang von Filamenten aus dichterem Gas an. 4.10 Lehrstuhl Raumfahrttechnik Sterne & Kosmos, Vorlesung Prof. U. Walter © 2014, LRT Sternenentstehungsort Adlernebel Staub/Gas-Ansammlungen kollabieren zu Protosternsystemen © NASA/Hubble 4.11 Prof.©U.NASA/Hubble Walter © 2014, LRT Lehrstuhl Raumfahrttechnik Sterne & Kosmos, Vorlesung Die Kompression durch Schwerkraft erzeugt erzeugt Wärme Wärme = kinetische Energie innerer Druck Zu jedem Zeitpunkt und Abstand vom Zentrum gilt: Druck = Gravitationskraft hydrostatisches Gleichgewicht Solche kollabierende Gas-/ Staubwolken nennt man Globule 4.12 Lehrstuhl Raumfahrttechnik Sterne & Kosmos, Vorlesung NASA/Hubble Prof.©U. Walter © 2014, LRT 1. Phase: Gas/Dust Cloud Collapse (t = 0-1 Myr) 1. Das stetig nach innen strömende 2. Über die Pole kann so schnell Gas erhitzt sich stark und wird zu rotierendem Plasma, das ein Magnetfeld senkrecht zur Akkretionsebene erzeugt. rotierendes Plasma, also Drehimpuls, abgegeben werden, wodurch die Plasmawolke weiter kollabieren kann 3. Dabei formt sich unter dem Einfluss der gerichteten Feldlinien eine Scheibe um das Zentralgestirn heraus, die zunehmend schneller und flacher rotiert © Sternwarte Feuerstein e.V. / Werner Stupka / Grafik: S. Kaufmann 4.13 Prof. U. Walter © 2014, LRT Lehrstuhl Raumfahrttechnik Sterne & Kosmos, Vorlesung Molecular cloud Stellar Genesis Formation of gas-dust disk © NASA/Hubble Formation of the sun by radial polar jets of matter © NASA Formation of isolated planets “Clumping” of the dust © NASA/JPL Caltech © NASA © NASA Circumstellar Disc Staubteilchendurchmesser typischerweise 1 µm © NASA 4.15 Prof. U. Walter © 2014, LRT Lehrstuhl Raumfahrttechnik Sterne & Kosmos, Vorlesung Circumstellar Disc in ß Pictoris Planet! © ESO/A.-M. Lagrange et al. Stellar Jets & Herbig Haro Objects Herbig-Haro 47 = Stellar Jet Etwa 10 % der stellaren Akkretionsscheibe wird als Stellar Jet abgestoßen. 0.01 lyr © NASA/Hubble 4.17 Prof. U. Walter © 2014, LRT Lehrstuhl Raumfahrttechnik Sterne & Kosmos, Vorlesung Carina Nebula Herbig-Haro Stellar Jets 4.18 Lehrstuhl Raumfahrttechnik Sterne & Kosmos, Vorlesung Prof. U. Walter © NASA/Hubble © 2014, LRT Bildung von Doppelsternen aus massiven Gaswolken Dichte senkrecht zur Rotationsachse © Dr. T. Greif/MPA Dichte längs der Rotationsachse 4.19 Prof. U. Walter © 2014, LRT Lehrstuhl Raumfahrttechnik Sterne & Kosmos, Vorlesung Entstehung der Planeten 4.20 Lehrstuhl Raumfahrttechnik Sterne & Kosmos, Vorlesung Prof. U. Walter © 2014, LRT First Phases of Planet Formation 99% Gas (H2, He, …) 1% Dust < 1µm HH 30 Protoplanetary disk © NASA Gas Gas turbulence Dust grains First Phases of Planet Formation – I The weak vertical gas pressure force cannot sustain the vertical gravitational force Vertical dust drift Dusk sub-disk Fgas Fgas Dust segregation takes about t 1 Myr) 4.22 Lehrstuhl Raumfahrttechnik Sterne & Kosmos, Vorlesung Prof. U. Walter © 2014, LRT First Phases of Planet Formation – II The dust with Keplerian velocity is decelerated by collision with gas Dust drifts inward due to smaller centrifugal force Dust Increasing gas density net gas pressure force Fgas The net gas pressure force acts as an anti-gravitative force Gas orbits more slowly than Keplerian (v 5 cm/s) because less centrifugal force is needed to counterbalance the gravitational force The bigger the dust grain the more it rotates Keplerian. So there are different rotation speeds for different grain sizes. This differntial velocity leads to collision of dust grains and thus a quick growth of grain by hit-and-stick prozess. 4.23 Prof. U. Walter © 2014, LRT Lehrstuhl Raumfahrttechnik Sterne & Kosmos, Vorlesung Fractal Dust Growth – Hit-and-Stick TIME Monodispersity “Hit-and-stick” collisions Growth timescale determined by collision timescale Fractality © Blum et al. 1998. Earth, Moon & Planets 80, 285., Uni Braunschweig restructuring boundary Fractal Dust Growth FRACTAL DUST van der Waals force v « 1 m/s hit-and-stick growth 1 µm 1 mm 1m 1 km 103 km fragmentation boundary restructuring boundary Non-fractal Dust Growth – Sticking v = 0.9 m/s NONFRACTAL DUST van der Waals force projectiles: = 3-5 mm = 0.07 SiO2 (irr.) target: = 25 mm = 0.07 SiO2 (irr.) v ≈ 1 m/s sticking, compaction, bouncing 1 mm © Langkowski et al. 2008; Universität Braunschweig 1m 1 km 103 km fragmentation boundary restructuring boundary Non-fractal Dust Growth – Bouncing v = 0.4 m/s = 3-5 mm = 0.15 SiO2 (sph.) NONFRACTAL DUST van der Waals force v ≈ 1 m/s sticking, compaction, bouncing 1 µm 1 mm Heißelmann et al. (in prep.) 1m 103 km 1 km Fragmentation fragmentation boundary Lammel et al. © TU Braunschweig BOULDERS van der Waals force too weak v > 1 m/s fragmentation PROJECTILES: dust particles: 1.5 µm SiO2 (sph.) ~ 2 mm = 0.15 1m-barrier 1 µm 1 mm 1m 1 km 103 km Entstehung von Planetesimalen (Protoplaneten) 4.29 Lehrstuhl Raumfahrttechnik Sterne & Kosmos, Vorlesung Prof. U. Walter © 2014, LRT Entstehung von Planetesimalen (Protoplaneten) (t = 1-10 Myr) © Max Planck Institut für Astrophysik Das Überwinden der 1m-Barriere. Computersimulation der turbulenten Verteilung fester Brocken mit etwa 1 m Durchmesser. Zufällige 4.30 der 1m-Brocken zu einem Nukleus einsetzen, Verdichtungen lassen einen lokalen gravitativen Kollaps Prof. U. Walter Lehrstuhl Raumfahrttechnik der dann weitere Materie ansammelt bis zu einem Planetesimal von etwa 1 km Durchmesser. © 2014, LRT Sterne & Kosmos, Vorlesung Movie showing the growth of the protoplanet in the disc around HL Tau. The total time is about 3000 years and shows the protoplanet forming at the edge of the disc, and then spiralling inwards to a distance about 75 times further from the central star than the Earth is from the Sun. (Movie credit : Greaves, Richards, Rice & Muxlow 2008) © Royal Observatory Edinburgh 4.31 Prof. U. Walter © 2014, LRT Lehrstuhl Raumfahrttechnik Sterne & Kosmos, Vorlesung Runaway Accretion with Rebound Orbit without gravity Orbit with gravity Accretion stops when all dust in an orbit and next neighborhood is accumulated. Because this volume is relatively small for innerstellar orbits, innerstellar planets (Mercury, Venus, Earth, Mars) remain small. 1 µm 1 mm gravitational focussing runaway growth Most of a planet‘s mass is aggregated by such giant impacts with large objects 1m PLANETESIMALS individual gravity 1 km Advent of a Gas Giant (Jupiter) (t = 1-10 Myr) Jupiter © NASA/JPL Caltech 4.33 Prof. U. Walter © 2014, LRT Lehrstuhl Raumfahrttechnik Sterne & Kosmos, Vorlesung Growth of Giant Gas Planets (t = 2-10 Myr) Gas Embryo Heat © S. Letschnik Because just beyond the snow line the grain density is highest, the biggest embryo will grow there. Once its size is bigger than about 10 Earth masses it accumulates gas and releases as an equivalent a lot of heat. Because the volume it sweeps out in outerstellar orbits is much bigger, it becomes very big and only within 1000 years a Jupiter-mass planet can acquire half of its final mass. 4.34 Lehrstuhl Raumfahrttechnik Sterne & Kosmos, Vorlesung Prof. U. Walter © 2014, LRT Protostar in HL Tau HL Tau is located in the center of the image. The star is surrounded by a dusty disc tilted to the line of sight and not visible here, but its boundary is indicated by the white ellipse. The candidate protoplanet is marked 'b'. The bar at top left (marked 50 AU) indicates 50 times the Earth-Sun distance on the same scale, or about the size of the orbit of Pluto. The arrows show the direction of jets of hot gas emitted from the forming star system. Protoplanet © Royal Observatory Edinburgh 4.35 Prof. U. Walter © 2014, LRT Lehrstuhl Raumfahrttechnik Sterne & Kosmos, Vorlesung Planet Migration Bahnwanderung Neptun-Bahn Durch Streuprozesse an Planetesimalen gewann Neptun Energie, und seine Umlaufbahn verlagerte sich relativ stark nach außen. Die nach innen gestreuten Planetesimale wurden von Jupiter aus dem Sonnensystem in die Oortsche Wolke geschleudert wobei Jupiter Energie verlor und etwas weiter nach innen wanderte. Bahnwanderung Sonne Jupiter-Bahn Neptun Planetesimalen-Bahn Planetesimal © M. Tebbe 4.36 Lehrstuhl Raumfahrttechnik Sterne & Kosmos, Vorlesung Prof. U. Walter © 2014, LRT Planeten im Sonnensystem – Evolution Der bereits anfangs große Jupiter treibt feste Planetesimale (rot) und Protoplaneten (Kreise) vor sich her. Jupiter Saturn Uranus Neptun Saturn wächst langsamer holt Jupiter ein, gerät mit ihm in Resonanz und zwingt ihn zur Umkehr. Uranus und Neptun wachsen langsam aber stetig auf Kosten der eisförmigen Planetsimale (blau) Terrestrische Planeten können jetzt auf Kosten der Planetisimale in Ruhe wachsen und dabei zirkularisieren. Late Heavy Bombardment Zeit Seit Erreichen ihrer endgültigen Position füllen Jupiter und Saturn durch Resonanzen den Asteroidengürtel. © Simulation von K. Walsh 2011 4.37 Prof. U. Walter © 2014, LRT Lehrstuhl Raumfahrttechnik Sterne & Kosmos, Vorlesung Planeten des Sonnensystems © NASA 4.38 Lehrstuhl Raumfahrttechnik Sterne & Kosmos, Vorlesung Prof. U. Walter © 2014, LRT Prominent gaps occur at 4:1 (2.06 AU), 3:1 (2.50 AU), 5:2 (2.82 AU), 7:3 (2.95 AU), 2:1 (3.27 AU) Kirkwood Gaps & Groups Weaker and/or narrower gaps are found at: 9:2 (1.9 AU), 7:2 (2.25 AU), 10:3 (2.33 AU), 8:3 (2.71 AU), 9:4 (3.03 AU), 11:5 (3.075 AU), 11:6 (3.47 AU), 5:3 (3.70 AU) Concentrations occur at 3:2 (Hilda group), 4:3 (Thule), 1:1 (Trojan group) © NASA 4.39 Prof. U. Walter © 2014, LRT Lehrstuhl Raumfahrttechnik Sterne & Kosmos, Vorlesung Kirkwood Gaps © NASA 4.40 Lehrstuhl Raumfahrttechnik Sterne & Kosmos, Vorlesung Prof. U. Walter © 2014, LRT © NASA X = Pluto blau: i > 5° gelb: i < 5° KBO population 4:3 3:2 Plutinos Kuiper Belt Objects KBOs 5:3 2:1 Grenzline Überschneidung mit Neptun-Orbit x KBOs sind die übrig gebliebenen Planetesimale und Embryos, die nicht zusammen gestoßen sind. Kurzperiodische Kometen (Haley) 4.41 Prof. U. Walter © 2014, LRT Lehrstuhl Raumfahrttechnik Sterne & Kosmos, Vorlesung Oortsche Wolke Oortsche Objekte sind die durch die Gas Giganten hinausgestreuten Planetesimale. Langperiodische Kometen © ESO Achtung: Logarthmische Entfernungsskala! 4.42 Lehrstuhl Raumfahrttechnik Sterne & Kosmos, Vorlesung Prof. U. Walter © 2014, LRT Ursprung langperiodischer Kometen • Kondensierung der Kometenkörper bei Bildung des Sonnensystems • Sterne, Dunkelwolken, Gezeitenwirkung Bahnänderung • Bildung der Oortschen Wolke • Ablenkung durch nahe Sterne Bahnänderung zurück ins innere Sonnensystem • Verkürzung der Ellipsenbahn des Kometen, durch Schwerkraft der großen Planeten periodisches Wiedererscheinen der Kometen 4.43 Prof. U. Walter © 2014, LRT Lehrstuhl Raumfahrttechnik Sterne & Kosmos, Vorlesung Aufbau des Sonnensystems © NASA / JPL-Caltech / R. Hurt 4.44 Lehrstuhl Raumfahrttechnik Sterne & Kosmos, Vorlesung Prof. U. Walter © 2014, LRT
