The Physics of Protoplanetary Dust Agglomerates. X. High-velocity Collisions between Small and Large Dust Agglomerates as a Growth Barrier

Abstract

In a protoplanetary disk, dust aggregates in the µm to mm size range possess mean collision velocities of 10 to 60 m s −1 with respect to dm-to m-size bodies. We performed laboratory collision experiments to explore this parameter regime and found a size-and velocity-dependent threshold between erosion and growth. By using a local Monte Carlo coagulation calculation and complementary a simple semi-analytical timescale approach, we show that erosion considerably limits particle growth in protoplanetary disks and leads to a steady-state dust-size distribution from µm to dm sized particles.

Dust Evolution in Protoplanetary Discs and the Formation of Planetesimals

“…Again for similar impact velocities, but much smaller projectile aggregates or dust monomers, the effect of erosion has been identified in the laboratory (Schräpler and Blum 2011;Schräpler et al 2018) and by numerical simulations (Seizinger et al 2013;Krijt et al 2015). The erosion efficiency increases with increasing impact velocity and decreases with increasing impactor mass, so that there is a smooth transition to cratering.…”

Vom Staubkorn zum Planetesimal

“…Infolgedessen prallen die Staubagglomerate inelastisch voneinander ab, was dann auch dazu führt, dass sie verhältnismäßig kompakt werden, weil ein Teil der Stoß energie in plastische Verformung geht. Obwohl weitere Experimente mögliche Wege aufgezeigt haben, über diese Abprallbarriere hinwegzukommen, sind wir heute recht sicher, dass andere Effekte das weitere Wachstum verhindern: Größere Agglomerate zerstören sich gegenseitig im Stoß, oder sehr kleine Partikel erodieren die großen Agglomerate [6]. Außerdem sollten größere Staubklumpen wegen der sehr raschen radialen Drift in die inneren Bereiche der PPD nur für sehr kurze Zeit existieren, bevor sie so nahe an den Zentralstern geraten, dass sie verdampfen.…”

“…Glücklicherweise besitzen wir mit den Erkenntnissen der Europäischen Raumsonde Rosetta so viele aus der Nähe gewonnene Daten über den Kern des Kometen 67P/ Tschurjumow-Gerassimenko, dass wir den Versuch starten können, darin nach den Entstehungsbedingungen zu suchen (Physik in unserer Zeit 2016, 47 (6) erklärt werden können, wenn der Kometenkern aus Staubagglomeraten im Größenbereich zwischen 6 und 12 mm Durchmesser besteht [11].…”

Fragmentation and energy dissipation in collisions of polydisperse granular clusters

“…While this is desirable in order to perform well-controlled simulations, it is far from reality; Mathis et al (1977) showed that dust grains obey a power-law distribution, the Mathis-Rumpl-Nordsieck (MRN) distribution, rather than a monodisperse distribution. More recent collision experiments on millimeter-sized granular aggregates, which employ polydisperse grain distributions and non-spherical grain shapes, sieve their material in order to obtain narrow size distributions (Whizin et al 2017;Katsuragi & Blum 2018;Schräpler et al 2018). In addition, outside of an astrophysical context, simulations of polydisperse granular material are rare.…”