Numerische Simulation von Semikonvektion in Exoplaneten

Die Erforschung von Exoplaneten hat sich zu einem der spannendsten Gebiete der Astrophysik entwickelt. Mittlerweile gilt die Existenz von über 700 Planeten außerhalb unseres Sonnen-systems als gesichert und laufend kommen neue Objekte hinzu. Für die Existenz von über doppelt so vielen weiteren Exoplaneten gibt es aus den bisherigen Beobachtungsdaten konkrete Hinweise. Für die Bestimmung der Grundeigenschaften, des Aufbaus und der Entwicklung von Exoplaneten werden die Ergebnisse bodengebundener Instrumente mit Beobachtungen von Satelliten aus kombiniert: Erst die Weltraummissionen COROT und Kepler (so wie MOST und in naher Zukunft hoffentlich BRITE und längerfristig die vorgeschlagene PLATO Mission) erlauben extrem lange Beobachtungsreihen unter optimalen, von der Erdatmosphäre ungestörten Sichtverhältnissen. Diese komplementieren das Datenmaterial bodengebundener Instrumente. Die theoretische Erforschung des Aufbaus und der Entwicklung von Exoplaneten ist unmittelbar mit der stellaren Astrophysik verknüpft, hat aber auch wichtige Verbindungen zur Geophysik. Sie wird durch die enorme Vielfalt von Objekten und Sonnensystemen vor völlig neue Heraus-forderungen gestellt. Wesentlich für das Verständnis der Entstehungs- und Entwicklungs-prozesse aller Planeten ist der Verlauf thermodynamischer Größen (Temperatur, Druck und Dichte) sowie der chemischen Zusammensetzung und auch der Aggregatszustände (gasförmig, flüssig, fest) von den direkt beobachteten äußeren Schichten (der Atmosphäre eines Planeten und eventuell einer festen Oberfläche) bis ins Zentrum dieser Objekte. Letzteres ist der direkten Beobachtung nicht zugänglich und wie bei Sternen kommt deshalb der numerischen, hydrodynamischen Simulation bei der Erforschung des Inneren von Planeten eine entscheidende Rolle zu. Das Forschungsprojekt "Numerische Simulation von Semikonvektion in Exoplaneten" soll anhand solcher numerischer, hydrodynamischer Simulationen für Gasriesen-planeten der Fragestellung nachgehen, welche Rolle konvektiven Prozessen beim Mischen von Material in Planeten und beim Wärmetransport, der sukzessiven Abkühlung des Planeten-inneren, zukommt. Konkret soll dabei folgenden Fragen nachgegangen werden: Sind die von der Geophysik inspirierten Modelle der Semikonvektion mit Schichten auch im Parameterbereich von Gasriesenplaneten gültig, insbesondere auch bei Scherströmungen und unter realistischer Mikrophysik? Wie effizient ist der Transport von Material bei geschichteter Semikonvektion? Kann dieser ausreichend genau in parametrischen Modellen wiedergegeben werden? Gelten diese Modelle auch bei rascher Rotation des Objekts? Die Erkenntnisse aus den numerischen Simulationen sollen somit dazu beitragen, die physikalischen Modelle von Aufbau und Entwicklung von Gasriesenplaneten und damit insbesondere von vielen der bisher bekannten Exoplaneten zu verbessern.

Das Projekt "Numerische Simulation von Semikonvektion in Exoplaneten" hat sich mit einer besonderen Art der Konvektion beschäftigt, die in der Astrophysik unter der Bezeichnung Semikonvektion bekannt ist. Entscheidend für ihr entstehen ist, dass es in Richtung der Schwerkraft einen Unterschied sowohl in der Temperatur als auch in der chemischen Zusammensetzung gibt. Strömt vom unteren Rand eines betrachteten Gebietes Wärme in das System und befindet sich am oberen Rand kühleres Fluid etwa Wasser, ein Gas, oder ein Plasma kann dies zum Einsetzen von Konvektion führen. Das passiert im Alltag (Kochtopf) genau so wie in der Meteorologie (Wolken, Thermik). Befindet sich aber leichteres Fluid (z.B. Wasserstoff) über schwerem (z.B. Helium), kann zunächst bei ausreichendem Konzentrationsgefälle der leichteren Komponente das Einsetzen von Konvektion ausbleiben. Semikonvektion entsteht nun dadurch, dass sich Wärme durch Diffusion im Fluid schneller ausbreitet als die Konzentration. Dadurch setzt Konvektion letztlich doch ein. Allerdings in einer besonderen Form: Es entstehen oft, aber nicht immer, Schichten, in denen das Fluid ganz durchgemischt wird und die von Bereichen getrennt werden, in denen Konvektion kaum auftritt. An diesen Stellen entsteht ein Konzentrations- und Wärmegefälle und damit Abstufungen (Schichten) im Fluid. Dieses Phänomen ist von den Ozeanen und großen Meeren bekannt, aber auch von Seen. In der Astrophysik tritt es am äußeren Rand von thermonuklearen Fusionszonen im Sterninneren auf, wenn diese konvektiv sind und sich dadurch ein Konzentrationsgefälle aufbaut. In Planeten, die zu den Gasriesen gezählt werden (wie etwa Jupiter oder Saturn oder zahlreiche weitere Planeten außerhalb unseres Sonnensystems, die daher als Exoplaneten bezeichnet werden), tritt das Phänomen im Prinzip ebenfalls auf, weil sich das schwere Material im Planetenkern schon bei der Entstehung ansammelt. Die Semikonvektion ist aber weniger effektiv als normale Konvektion: Radius und Wärmeabgabe des Planeten entwickeln sich daher verschieden. Das Projekt zielte darauf ab, den Einfluss verschiedener Anfangsschichtungen und von zusätzlichen, horizontal gerichteten Strömungen zu untersuchen, wie sie etwa durch die Rotation von Planeten entstehen. Im Projekt wurden zahlreiche Simulationsrechnungen durchgeführt, die den Einfluss dieser Effekte quantitativ beschreiben lassen. Der Einfluß einer Rotationsbewegung oder Scherströmung war dabei oft überraschend: Stabilisierende und destabilisierende Effekte können auftreten und erfordern eine genaue Beschreibung des physikalischen Systems. Die gewonnen Ergebnisse sind für die Astrophysik bedeutsam, primär für die Physik der Exoplaneten, aber auch für die Ozeanographie. Bei den für diese Simulationsarbeiten nötigen Entwicklungen wurden auch mathematische Rechenverfahren verbessert. Diese finden auch außerhalb der Astro- und Geophysik Verwendung.