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Teilchenwind lässt Planeten wandern


Die Grafik zeigt, wie die von „magnetisch-zentrifugalem Wind“ angetriebene Einwärtsbewegung des Gases durch den Co-Orbitalbereich der protoplanetaren Scheibe zu einer stark asymmetrischen Massenverteilung führt, wobei ein Massenüberschuss vor dem Planeten und ein Massendefizit hinter dem Planeten auftritt. (© Kimmig / Dullemond / Kley)

In der frühen Phase ihrer Entstehung können Planeten durch ein Wechselwirkung mit ihren protoplanetaren Scheiben auf andere Umlaufbahnen um ihren Stern gelangen. Beobachtete Exoplaneten befinden sich daher möglicherweise nicht in der Umlaufbahn, in der sie ursprünglich geboren wurden. Die Bewegung von Materie in Richtung des Zentralsterns wird als Akkretion bezeichnet und kann eine solche Verschiebung des Orbits verursachen.

Carolin Kimmig, Bachelor-Studentin am Institut für Theoretische Astrophysik (ITA) am Zentrum für Astronomie der Universität Heidelberg (ZAH), verglich nun die Effizienz des sogenannten windgetriebenen Akkretionsprozesses mit der viskosen Akkretion in protoplanetaren Scheiben.

In beiden Fällen verliert die Materie ihren Drehimpuls und bewegt sich daher langsam ins Zentrum. Kimmigs Analyse basiert auf der Annahme, dass für die Co-Orbitalregion innerhalb der Lücke in der ein Planet seinen Stern umkreist, der windgetriebene Prozess stets Materie von der Außenkante dieser Region injiziert und von der Innenkante entfernt, während der viskose Prozess dies nicht tut. Diese durch Wind angetriebene Akkretion wird wahrscheinlich durch "magnetisch zentrifugalen Windverlust" verursacht, d.h. durch das Abströmen von Gas der Scheibe, das entlang magnetischer Feldlinien zentrifugal beschleunigt wird. Das Magnetfeld wiederum funktioniert wie eine Art Gummiband und führt den Drehimpuls aus der Scheibenmaterie ab, was deren Einwärtsbewegung ermöglicht. Wenn diese Bewegung schnell genug ist, führt dies zu einer starken Asymmetrie in der sogenannten "Hufeisenregion", einer speziellen Orbitalregion in Bezug auf sich umkreisende Himmelskörper.

Wenn Gas in den Bereich der Co-Rotation vor dem Planeten eintritt, bewegt es sich aus Sicht des Planeten auf einer hufeisenförmigen Bahn auf ihn zu. Am Wendepunkt der Hufeisenbahn tritt dann ein Massenüberschuss auf. Während das Gas an diesem Punkt seine Richtung ändert, bewegt es sich näher an den Stern heran und verliert seinen Drehimpuls, der auf den Planeten übertragen wird. Hinter dem Planeten tritt wiederum ein Massendefekt auf, weil die Hufeisenbahn das Gas vom Planeten weg transportiert. Das Gas, das die Kehrtwende vor dem Planeten durchführte, befindet sich nun in der Nähe des inneren Randes der Lücke. Aufgrund der durch den Wind verursachten schnellen Einwärtsbewegung verlässt dieses Gas den Co-Orbital-Bereich wieder, indem es in die innere Scheibe eintritt, und wird sich nun nicht mehr bis zur Rückseite des Planeten bewegen. So bleibt dieser Bereich gasfrei. Die Region vor dem Planeten weist nun einen Gasüberschuss auf, der Planet gewinnt dadurch an Drehimpuls und wandert so allmählich nach außen.

Kimmig zeigt in ihrer Analyse u.a., dass Planeten mit geringer Masse leichter nach außen wandern als schwere, was ein Grund für die Entdeckung von Planeten mit mittlerer Masse bei großen Radien sein könnte. Von ihnen wird angenommen wird, dass sie die Ursache für die vom Atacama Large Millimeter Array (ALMA) beobachteten Mehrringscheiben sind.

ORIGINALE PUBLIKATION
Effect of wind-driven accretion on planetary migration, by C. N. Kimmig, C. P. Dullemond, W. Kley 2020, A&A, 633, A4, DOI: https://doi.org/10.1051/0004-6361/201936412


LOKALER KONTAKT

Dr. Guido Thimm
- Öffentlichkeitsarbeit -
Zentrum für Astronomie der Universität Heidelberg (ZAH)
Email: thimm(at)uni-heidelberg.de

Bearbeiter: Webmaster
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