Advanced

Formation of Pebble-Pile Planetesimals and the Interior Structure of Comets

Wahlberg Jansson, Karl LU (2017)
Abstract (Swedish)
Bildandet av planeter äger rum i skivor av gas, stoft och is runt nybildade stjärnor. Den här processen är inte helt förstådd men det första steget tros vara växten från mikrometer-stora stoftkorn till mm-cm-stora småstenar genom sammanväxande kollisioner. Vid de här storlekarna studsar stenarna eller går sönder snarare än fastnar i varandra när de kolliderar så tillväxten avstannar. Dessutom känner stenarna luftmotstånd från gasen i skivan vilket gör att de driver in i stjärnan på korta tidsskalor. Det har, dock, också föreslagits att gasen kan hjälpa planetbildningen genom att samla de små stenarna i gravitationellt bundna moln.

Mitt arbete fokuserar på kollapsen av sådana moln av småstenar till planetesimaler (runt 1-1,000... (More)
Bildandet av planeter äger rum i skivor av gas, stoft och is runt nybildade stjärnor. Den här processen är inte helt förstådd men det första steget tros vara växten från mikrometer-stora stoftkorn till mm-cm-stora småstenar genom sammanväxande kollisioner. Vid de här storlekarna studsar stenarna eller går sönder snarare än fastnar i varandra när de kolliderar så tillväxten avstannar. Dessutom känner stenarna luftmotstånd från gasen i skivan vilket gör att de driver in i stjärnan på korta tidsskalor. Det har, dock, också föreslagits att gasen kan hjälpa planetbildningen genom att samla de små stenarna i gravitationellt bundna moln.

Mitt arbete fokuserar på kollapsen av sådana moln av småstenar till planetesimaler (runt 1-1,000 km-stora fasta kroppar). Under kollapsen kolliderar småstenarna med varandra och, beroende på storlek och fart, har sådana kollisioner olika följder (de kan fastna, studsa, byta massa eller gå sönder). Jag har undersökt den här kollapsprocessen med numeriska simuleringar och hur de resulterande planetesimalernas inre varierar med t.ex. planetesimalens storlek och beståndsdelar.

I solsystemet är asteroider, Kuiperbältsobjekt såväl som kometer kvarlevande planetesimaler (byggstenar till planeter) från eran av planetbildning. Planetesimaler har olika storlek och bildades olika långt ifrån solen vilket ger de olika omgivning och historia. Därför ser dessa kvarlevande planetesimalers inre olika ut. Asteroider bildades närmare solen i ett varamare och trängre område. Det gör att det har varit med om många kollisioner och är idag kompakta och saknar is. Kuiperbältsobjekt och kometer, å andra sidan, har levt sina liv i de kalla, glesa yttre delarna av solsystemet och har förblivit opåverkade vilket gör de bättre att jämföra med mitt arbete.

Resultaten av min forskning visar att kollapsen är starkt beroende av både molnets massa och storleken på stenarna. Stenmoln med låg massa har bara kollisioner där stenar studsar mot varandra och slutar som en porös hög av småsten. Mer massiva moln, å andra sidan, har kollisioner där stenarna går sönder under sin kollaps vilket resulterar in en mer kompakt blandning av småsten och stoft. De här resultaten stämmer överens med observationen att Kuiperbältsobjekt är mer kompakta ju större de är. De överensstämmer också med mätningarna av kometen 67P/Churyumov-Gerasimenkos höga porositet och den dåliga hållbarheten av kometen Shoemaker-Levy 9 som slets isär av Jupiters tidvattenkrafter 1994. (Less)
Abstract
Planets form in protoplanetary discs of gas, dust and ice around newborn stars. In the Solar System, not only planets are found as a result from the time of planet formation, but also remnant planetesimals in the form of asteroids, Kuiper belt objects and comets. Recent observations, e.g. by the space mission Rosetta, have found that comets are porous objects barely able to hold themselves together by gravity.

Gravitationally bound clouds of mm- to dm-sized pebbles can form in the protoplanetary disc by interactions between solids and the gas, e.g. through the streaming instability. Such clouds will have collisions between pebbles resulting in energy dissipation and inevitably a collapse into a solid planetesimal.

In... (More)
Planets form in protoplanetary discs of gas, dust and ice around newborn stars. In the Solar System, not only planets are found as a result from the time of planet formation, but also remnant planetesimals in the form of asteroids, Kuiper belt objects and comets. Recent observations, e.g. by the space mission Rosetta, have found that comets are porous objects barely able to hold themselves together by gravity.

Gravitationally bound clouds of mm- to dm-sized pebbles can form in the protoplanetary disc by interactions between solids and the gas, e.g. through the streaming instability. Such clouds will have collisions between pebbles resulting in energy dissipation and inevitably a collapse into a solid planetesimal.

In paper I we develop a statistical model to investigate, with numerical simulations, the collapse of pebble clouds into planetesimals. We find that low-mass planetesimals, e.g. comets, are porous pebble-piles with this formation mechanism. Paper II and III investigate the role of fragmenting collisions in planetesimal formation, both with laboratory experiments and numerical simulations.

The above model assumes an isolated, homogeneous planetesimal. In paper IV we find that the interior structure of comets can vary with depth ('onion'-like shells) and that gas in the protoplanetary disc can affect the collapse significantly. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
supervisor
opponent
  • Professor Dominik, Carsten, Anton Pannekoek Institute of Astronomy, University of Amsterdam, The Netherlands
organization
publishing date
type
Thesis
publication status
published
subject
keywords
planets and satellites: formation, minor planets, asteroids: general, comets: general
pages
131 pages
publisher
Lund University, Faculty of Science, Department of Astronomy and Theoretical Physics
defense location
Lundmark lecture hall, Lund Observatory, Sölvegatan 27, Lund
defense date
2017-05-12 09:00
ISBN
978-91-7753-258-3
language
English
LU publication?
yes
id
68885e83-cbf0-4fbf-8882-6f69eb0e18e7
date added to LUP
2017-04-13 14:30:08
date last changed
2017-04-26 17:41:16
@phdthesis{68885e83-cbf0-4fbf-8882-6f69eb0e18e7,
  abstract     = {Planets form in protoplanetary discs of gas, dust and ice around newborn stars. In the Solar System, not only planets are found as a result from the time of planet formation, but also remnant planetesimals in the form of asteroids, Kuiper belt objects and comets. Recent observations, e.g. by the space mission Rosetta, have found that comets are porous objects barely able to hold themselves together by gravity.<br/><br/>Gravitationally bound clouds of mm- to dm-sized pebbles can form in the protoplanetary disc by interactions between solids and the gas, e.g. through the streaming instability. Such clouds will have collisions between pebbles resulting in energy dissipation and inevitably a collapse into a solid planetesimal.<br/><br/>In paper I we develop a statistical model to investigate, with numerical simulations, the collapse of pebble clouds into planetesimals. We find that low-mass planetesimals, e.g. comets, are porous pebble-piles with this formation mechanism. Paper II and III investigate the role of fragmenting collisions in planetesimal formation, both with laboratory experiments and numerical simulations.<br/><br/>The above model assumes an isolated, homogeneous planetesimal. In paper IV we find that the interior structure of comets can vary with depth ('onion'-like shells) and that gas in the protoplanetary disc can affect the collapse significantly.},
  author       = {Wahlberg Jansson, Karl},
  isbn         = {978-91-7753-258-3},
  keyword      = {planets and satellites: formation,minor planets,asteroids: general,comets: general},
  language     = {eng},
  pages        = {131},
  publisher    = {Lund University, Faculty of Science, Department of Astronomy and Theoretical Physics},
  school       = {Lund University},
  title        = {Formation of Pebble-Pile Planetesimals and the Interior Structure of Comets},
  year         = {2017},
}