Advanced

Formation of super-Earths via pebble accretion onto planetesimals

Mikkola, Daniel LU (2015) In Lund Observatory Examensarbeten ASTK02 20151
Lund Observatory
Abstract
Data from NASA's Kepler space telescope, which searches for exoplanets via the transit method, produced 1108 new planetary candidates in 2013 with a total of 91% being smaller than Neptune in size. These were mostly super-Earths, terrestial planets between Earth and Neptune in size, with orbits around 10 days.

In order for any theory of planet formation to be valid it must be able to account for the existence of these super-Earths. Current models put the transition from planetesimal to planet to be the result of planetesimal collisions. In only the past few years the theory of pebble accretion onto planetesimals has emerged. It centers around the idea that the accretion of pebbles onto planetesimals in the protoplanetary disk is a... (More)
Data from NASA's Kepler space telescope, which searches for exoplanets via the transit method, produced 1108 new planetary candidates in 2013 with a total of 91% being smaller than Neptune in size. These were mostly super-Earths, terrestial planets between Earth and Neptune in size, with orbits around 10 days.

In order for any theory of planet formation to be valid it must be able to account for the existence of these super-Earths. Current models put the transition from planetesimal to planet to be the result of planetesimal collisions. In only the past few years the theory of pebble accretion onto planetesimals has emerged. It centers around the idea that the accretion of pebbles onto planetesimals in the protoplanetary disk is a large part of planet formation, able to rapidly speed the process up.

In this thesis we investigate whether the pebble accretion theory can account for the super-Earths in Kepler's data. This is done using a statistical code called PAOPAP. We simulate the accretion of mm-cm sized pebbles onto already existing planetesimals and investigate what effect different sized annuli and the amount of pebbles has on the final mass of the planets produced in the code. We find that while wider annuli make no discernible pattern in the final mass of the planets, increasing the amount of mass in pebbles for a 0.2 AU annulus allows us to create planets with masses up to ~8 Earth masses or ~2 Earth radii. The reason the annulus width does not determine mass is because the planets become isolated at a certain point, having accreted all nearby pebbles, giving them an isolation mass. We also vary the size of the pebbles being accreted to show that larger pebbles only brings about a faster growth process but with the same final mass in a simulation. Lastly we show a selection of the largest planetesimals in each simulation to give a demonstration of oligarchic growth of planets over time. In the end, we are able to show that the large population of super-Earths found by the Kepler satellite can be explained by the theory of pebble accretion. (Less)
Popular Abstract (Swedish)
Sedan urminnes tider har man vetat om att det finns ljusa kroppar på himlen som rör sig ovanligt fort. Grekerna döpte dessa till vandrare, ett ord som på grekiska uttalas väldigt likt planet. Planeterna har studerats i århundraden och bara de senaste två decennierna har vi ökat från våra egna åtta planeter till flera tusen nya planeter kallade exoplaneter, planeter runt andra stjärnor än våran egen.

En naturlig fråga som följer utav detta är skapelsen av planeter. På 1700-talet argumenterade personer som Immanuel Kant och Pierre Simon de Laplace för en planetformationsteori. Man noterade då att de sex planeter man kände till rörde sig i nästan perfekt cirkulära omloppsbanor samt rörde sig i nästan exakt samma plan. Argumentet var då... (More)
Sedan urminnes tider har man vetat om att det finns ljusa kroppar på himlen som rör sig ovanligt fort. Grekerna döpte dessa till vandrare, ett ord som på grekiska uttalas väldigt likt planet. Planeterna har studerats i århundraden och bara de senaste två decennierna har vi ökat från våra egna åtta planeter till flera tusen nya planeter kallade exoplaneter, planeter runt andra stjärnor än våran egen.

En naturlig fråga som följer utav detta är skapelsen av planeter. På 1700-talet argumenterade personer som Immanuel Kant och Pierre Simon de Laplace för en planetformationsteori. Man noterade då att de sex planeter man kände till rörde sig i nästan perfekt cirkulära omloppsbanor samt rörde sig i nästan exakt samma plan. Argumentet var då att planeterna hade formats i en tillplattad skiva runt solen. Idén om en skiva runt solen har levt vidare sedan dess. På 60-talet kom en sovjetisk astronom vid namnet Viktor Safronov fram med sin nya hypotes, planetesimal-hypotesen. I den berättar Safronov om hur planeter skapats av en lång serie händelser i skivan, ursprungligen som mikroskopiska dammkorn som krockar och klumpar ihop sig. De blir större tills de bildar planetesimaler. Dessa är kroppar i storleksordningen några meter till 100 km. Planetesimalerna fortsätter kollidera till nästa storleksordning, protoplaneter, och blir i slutändan planeter.

Under de senaste åren har en ny teori utvecklats som kallas för Pebble Accretion, vilket betyder ungefär ansamling av gruskorn. I ledning av Anders Johansen utvecklades teorin vid Lunds Universitet och den motsäger sig inte Safronovs hypotes utan istället säger att under steget från planetesimaler till planeter borde det också finnas gruskorn i mm-cm storlek i skivan som ansamlas på planetesimalen. Pebble accretion har senare visat sig kunna snabba upp planetformation med så mycket som en faktor tusen, en stor ökning. Detta är väldigt eftertraktat då man vill skapa en planet innan skivans material försvinner på grund av andra orsaker vilket tar ungefär 10 miljoner år.

Pebble accretion utvecklas ännu och med flera utmaningar kan den visa sig lovande. NASAs rymdteleskop Kepler, som letar efter exoplaneter, presenterade 2013 resultat på 1108 nya planetkandidater, planeter som upptäckts en gång och man inte är säker på om det faktiskt är planeter. Mest märkvärdigt var att utav de 1108 planeterna var så många som 91% mindre än Neptunus och nästan alla var större än Jorden. Denna storleksordning kallas super-Earths, planeter som förmodligen är jordlika, men med större massa än Jorden.

Detta utgör ett perfekt test för pebble accretion. Om teorin ska hålla borde man i simulationer kunna skapa de planeter som Kepler har hittat. Det är detta vi har gjort i denna tes. Vi har skapat ett datorprogram som heter PAOPAP (Pebble Accretion Onto Planetesimals And Planets) vilket är en statistisk kod för att simulera planetformation med pebble accretion i ett cirkelsegment av skivan. Med denna kod tittar vi på hur stora planeter man kan bilda beroende på storleken på cirkelsegment och hur mycket massa som finns tillgängligt i gruskornen. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
Mikkola, Daniel LU
supervisor
organization
course
ASTK02 20151
year
type
M2 - Bachelor Degree
subject
keywords
planet, formation, planet formation, exoplanets, pebble, accretion, pebble accretion
publication/series
Lund Observatory Examensarbeten
report number
2015-EXA93
language
English
id
7373404
date added to LUP
2015-06-22 12:28:56
date last changed
2015-06-22 12:28:56
@misc{7373404,
  abstract     = {Data from NASA's Kepler space telescope, which searches for exoplanets via the transit method, produced 1108 new planetary candidates in 2013 with a total of 91% being smaller than Neptune in size. These were mostly super-Earths, terrestial planets between Earth and Neptune in size, with orbits around 10 days. 

In order for any theory of planet formation to be valid it must be able to account for the existence of these super-Earths. Current models put the transition from planetesimal to planet to be the result of planetesimal collisions. In only the past few years the theory of pebble accretion onto planetesimals has emerged. It centers around the idea that the accretion of pebbles onto planetesimals in the protoplanetary disk is a large part of planet formation, able to rapidly speed the process up.

In this thesis we investigate whether the pebble accretion theory can account for the super-Earths in Kepler's data. This is done using a statistical code called PAOPAP. We simulate the accretion of mm-cm sized pebbles onto already existing planetesimals and investigate what effect different sized annuli and the amount of pebbles has on the final mass of the planets produced in the code. We find that while wider annuli make no discernible pattern in the final mass of the planets, increasing the amount of mass in pebbles for a 0.2 AU annulus allows us to create planets with masses up to ~8 Earth masses or ~2 Earth radii. The reason the annulus width does not determine mass is because the planets become isolated at a certain point, having accreted all nearby pebbles, giving them an isolation mass. We also vary the size of the pebbles being accreted to show that larger pebbles only brings about a faster growth process but with the same final mass in a simulation. Lastly we show a selection of the largest planetesimals in each simulation to give a demonstration of oligarchic growth of planets over time. In the end, we are able to show that the large population of super-Earths found by the Kepler satellite can be explained by the theory of pebble accretion.},
  author       = {Mikkola, Daniel},
  keyword      = {planet,formation,planet formation,exoplanets,pebble,accretion,pebble accretion},
  language     = {eng},
  note         = {Student Paper},
  series       = {Lund Observatory Examensarbeten},
  title        = {Formation of super-Earths via pebble accretion onto planetesimals},
  year         = {2015},
}