Die Beschreibung der Entwicklung von deuteriertem Wasser mithilfe eines Multi-Zustandsmodells des Solaren Nebels

Gast, Philipp Maximilian

Die Entstehung von Leben ist eng mit dem Vorhandensein von Wasser und präbiotischen Molekülen verknüpft. Da solche Verbindungen schon in den frühesten Phasen der Sternentstehung nachgewiesen wurden, stellt sich sofort die Frage nach der Historie dieser Vorkommen und deren Verfügbarkeit während der Entstehung der terrestrischen Planeten. Wird von der Solaren Nebel Hypothese ausgegangen, bilden sich Planetensysteme aus den Protoplanetaren Scheiben, die beim Kollaps von metastabilen, hydrostatischen Wolkenkernen entstehen können. Da insbesondere der relative Anteil von deuteriertem Wasser Hinweise auf die Historie des Wassertransports geben kann, wird dessen Verteilung im Rahmen der vorliegenden Arbeit über die zeitliche Entwicklung der Phasen des Solaren Nebels untersucht, und die Ergebnisse anschließend mit Messungen an Kometen und Sternentstehungsregionen verglichen. Die einzelnen Modelle basieren auf einem Kernmodell mit Bonnor-Ebert Profil, einem semi-analytischen, adiabatischen Kollapsmodell und einem Modell für die optisch dichte T-Tauri Scheibenphase. Dabei liegt der Fokus auf der Integration der einzelnen Modelle hin zu einem Ab-initio-Modell, in dem jede Phase von der vorherigen initialisiert wird. Es zeigt sich, dass die Entstehung von Wasser während der Wolkenphase nur sehr wenig von externen Parametern wie Strahlung und Staubbewegung in der Einhüllenden beeinflusst wird, und es relativ gleichmäßig in Form von eisummanteltem Staub über den Wolkenkern verteilt ist. Die Deuterierung des Wassers ist zu dieser Zeit in den inneren Regionen des Kerns höher und weist ein D/H Verhältnis von maximal 2,2% auf. Am Ende des Kollaps bildet sich bei ca. 1,4 AU eine sog. "Hot Corino" Zone aus, in der die Evaporation des Wassereises vom Staubmantel einsetzt. Aufgrund des rein adiabatischen Ansatzes für den Kollaps liegt zu Beginn der Scheibenphase ein sehr geringer Temperaturgradient vor, wodurch es zu Abweichungen von der erwarteten MMSN Scheibenstruktur kommt. Die einsetzenden Neutral-Neutral Reaktionen können das D/H Verhältnis daher noch nicht signifikant reduzieren, sodass am Ende des Kollaps im Bereich der sich bildenden Scheibe ein konstantes D/H Verhältnis von 2,5% vorliegt. Die kontinuierliche Initialisierung der chemischen Konzentrationen führt beim Übergang zur Scheibe zu starken Einschwingvorgängen und erfordert zukünftig die Einbindung eines zwischengeschalteten Modells für den Aufbau der vertikalen Struktur.

Many definitions of habitability rest on the availability of liquid water, but it is still an open question where planetary water actually comes from. Recently it has been confirmed that it already exists within grand molecular clouds, which are nurseries for stellar formations, along with certain prebiotic molecules. Within the Solar Nebula hypothesis the metastable hydrostatic cores of these clouds collapse while building up a disk around their equatorial plane of rotation to redistribute their angular momentum. Based on this temporal evolution this work seeks to model the transport and chemical evolution of the matter accreted by the protostar during the three stages of the Solar Nebula in an ab-initio approach, so that every stage is initialized by the physical and chemical parameters of the former. The individual models are a hydrostatic cloud core, a semianalytic adiabatic collapse and a disk model, including detailed dust convection. The chemistry is treated in a Lagrangian approach by combining the before mentioned models with a gas-grain chemistry model. The main focus is on the distribution of water and its deuterated counterparts since the D/H ratio can give important clues about the origin and history of cometary and planetary water reservoirs. The results suggest that water is a robust phenomenon within the cloud stage and is relatively insensitive to variations in the external radiation and dust migration in its envelope. The highest fraction of deuterated water is located in the deeply embedded core region with a D/H value of at most 2,2%. Meanwhile, the overall water concentration is found to be almost constant along the radial extent of the core, mainly carried by ice coated grains. Towards the end of the collapse of the cloud core a "hot corino" zone builds up with a diameter of less than 1,4 astronomical units. The beginning neutral-neutral reactions in this zone can not jet change the deuteration significantly, leading to a radially constant value of D/H approx. 2,5% in the disk build up region. Due to the adiabatic nature of the collapse, the resulting disk has a very low temperature gradient which also leads to other deviations from the expected MMSN structure. The continuous initialization of the chemical disk composition has been hindered by the absence of a vertical representation in the collapse phase. In the future this can be improved by adding an intermediate thick disk model.

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Gast, Philipp Maximilian: Die Beschreibung der Entwicklung von deuteriertem Wasser mithilfe eines Multi-Zustandsmodells des Solaren Nebels. 2015.

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