Realistic modeling of water transfer by collisions during terrestrial planet formation

Das Ziel dieser Dissertation ist es unser Verständnis über Wassertransport und Verlust in Kollisionsereignissen während der Entstehung von Planeten zu erweitern, und darüber hinaus neue methodologische Ansätze dazu vorzustellen. Es ist bekannt dass terrestrische Planeten als Folge einer langen Kette von Kollisionen entstehen, zu Beginn von Planetesimalen und im weiteren Verlauf von Planetaren Embryos. Nach aktuellem Kenntnisstand kommt es meist insbesondere in den späteren Phasen dieses Prozesses zur Streuung von wasserreichem Material das sich hinter der Eis-Linie gebildet hat in die inneren Bereiche des Systems, wo es im Zuge weiterer Kollisionen Wasser und andere volatile Elemente für wachsende Planeten zur Verfügung stellen kann. Kollisionen dieser Planetaren Embryos oder auch großer Planetesimale zeigen eine diverse Bandbreite von möglichen Ergebnissen, wo gezeigt wurde dass neben (partieller) Akkretion und Erosion auch Hit-and-run in etwa der Hälfte der Fälle auftritt. In diesen Ereignissen muss nicht nur der globale Wasserverlust, sondern auch Materialtransfer zwischen den beiden Objekten betrachtet werden. Während Kollisionen dieser Größenordnung im Allgemeinen globale, tiefgreifende Auswirkungen haben können, trifft dies ganz besonders auf Wasser-Inventare zu, aufgrund ihrer Volatilität und weil sie häufig auf oder nahe der Oberfläche zu finden sind. Die Grundlage meiner Arbeit in dieser Dissertation bildet das Studium des Verhaltens von Wassergehältern in individuellen Kollisionsszenarien, die mit Hilfe numerischer Smooth Particle Hydrodynamics (SPH) Simulationen untersucht werden. In zwei dedizierten Studien zu diesem Thema werden verschiedene Aspekte beleuchtet, insbesondere der Grad der Skaleninvarianz von ähnlichen Szenarien in verschiedenen Masse-Bereichen, die Relevanz der Modellierung von Material-Festigkeit in Kollisionen von Objekten mit signifikanten Anteilen von Wasser-Eis, sowie genaue Ergebnisse für die Menge an Wasserverlust und Transfer in allen wichtigen Bereichen des Parameterraumes, bestehend aus Impakt-Geschwindigkeit, Winkel, Impaktor-zu-Target Massenverhältnis, und auch der Gesamtmasse der beiden Körper. Nicht unübliche globale Wasserverluste im Bereich von mehreren zehn Prozent legen eine beträchtliche Reduktion der eigentlichen Wassergehälter von fertig geformten Planeten nahe, insbesondere verglichen mit der idealisierten Annahme von komplettem Erhalt in Kollisionen. Ein weiterer Schwerpunkt ist die Untersuchung der Besonderheiten von Hit-and-run Events, bei denen bestätigt wird dass insbesondere dem kleineren der beiden Körper oft effizient ein Großteil seines Wasser-Inventars entrissen wird. Auch Transfer von Wasser, speziell vom kleineren zum größeren der kollidierenden Objekte, wird im Detail untersucht und quantifiziert, als Grundlage für das Modellieren von einzelnen Kollisionsereignissen in übergeordneten dynamischen Simulationen. Auf Basis der Ergebnisse zu Wassertransfer und Verlust in isoliert betrachteten Szenarien, und um ein wirklich vollständiges Bild des Wassertransports in einer aktiven Planetenentstehungsumgebung zu erhalten, ist das endgültige Ziel die konsistente Verbindung von Langzeit-Dynamik und den Ergebnissen einzelner Kollisionsereignisse. Um dieses Ziel erstmals zu erreichen wird in der letzten Studie in dieser Dissertation ein Simulations-Framework vorgestellt, welches die direkte Kombination von N-body und SPH Berechnungen in Form eines Hybrid-Ansatzes ermöglicht. Neben der physikalisch korrekten Modellierung von Wassertransfer und Verlust in Kollisionen die zu Akkretion oder Erosion führen, werden auch beide bei Hit-and-run Ereignissen hervorgehende Körper konsistent weiter verfolgt. Die erste Anwendung erfolgt in einer dem Sonnensystem ähnlichen Architektur, mit einer Scheibe aus Embryos + Planetesimalen im gesamten Bereich terrestrischer Planeten (0.5 - 4 au), sowie Jupiter- und Saturn-ähnlicher Gasriesen entweder auf kreisförmigen oder exzentrischen Bahnen. Die Ergebnisse zeigen dass die Einbindung realistischer Kollisionsergebnisse zu deutlich anderem Verhalten in vielen wichtigen Aspekten führt. Nicht nur die finalen Wasserinventare fallen geringer aus (ein Faktor 2 oder mehr), sondern auch die Wachstumszeitskalen der Planeten verlängern sich deutlich, was gemeinsam zu einer starken Verringerung der Unterschiede zwischen Szenarien mit Gasriesen auf kreisförmigen- verglichen mit exzentrischen Orbits führt, wie sie in bisherigen Studien basierend auf simplem Merging aufgetreten sind. Der Transport des überwiegenden Großteils des Wassers zu potentiell habitablen Planeten scheint in wenigen entscheidenden Kollisionen zu erfolgen, meist mit anderen Protoplaneten anstatt kleinerer Objekte, wobei viele dieser Kollisionen Hit-and-run Events sind, mit typischerweise relativ geringem Wassertransfer, was die Wichtigkeit von deren genauer Modellierung unterstreicht. Über diese erste Anwendung hinausgehend bin ich der Meinung dass dieser Hybrid-Ansatz großes Potential zur Einbindung weiterer physikalischer Prozesse bietet, insbesondere der Verbindung von Kollisions- mit Geophysikalischer- sowie Atmosphärenentwicklung, um letztendlich ein noch umfassenderes Bild des Transports und der Entwicklung von Wasser auf terrestrischen Planeten zu erhalten.The aim of this thesis is to deepen our understanding of collisional water delivery to terrestrial planets, mainly during the late stages of planet formation, and to introduce new methodological approaches to do so. It is well established that terrestrial planets grow in a long sequence of collisions among planetesimals and eventually planetary embryos, where it is believed that especially during the later phases of accretion volatile-rich material can be scattered from its formation region beyond the system's ice-line inwards, and therefore transport bodies rich in water and other volatiles into the region where terrestrial planets are forming. Collisions between these growing planetary embryos, or large planetesimals, exhibit a diverse range of possible outcomes, where besides (partial) accretion and erosion roughly half of them have been shown to be in the hit-and-run regime, where not only large-scale water losses, but also transfer between the colliding objects has to be taken into account. While giant collisions can in general be very transformative on a global scale, this is particularly so for water inventories, prone to transfer and loss processes due to their volatile nature and also their preferential location at or near the surface. The basis of my work in this thesis is laid by the study of the effects on water inventories in individual collision events, based on Smooth Particle Hydrodynamics (SPH) simulations. Two dedicated studies on various aspects of collisional water transfer and loss are included, which provide insights on the degree of scale invariance for similar scenarios in different mass regimes, the importance of modeling material strength in encounters of objects with considerable water-ice contents, and accurate figures for the amount of transfered and lost water for all important parts of the parameter space of impact velocity, angle, projectile-to-target mass ratio, and also the total colliding mass. Commonly occurring water losses in the tens-of-percent range suggest a considerable reduction in the actual inventories of finally-formed planets, compared to the idealized assumption of total water retention. In addition, special emphasis is laid on the peculiarities of hit-and-run events, which are confirmed to be particularly efficient in stripping a large fraction of water from the smaller one of the colliding pair. Understanding and quantification of the rate of water transfer in hit-and-run encounters, especially from the projectile to the target body, is an important prerequisite of the eventual modeling of collision processes in long-term dynamical planet formation simulations. Based on the lessons learned from studying the behavior of water in isolated encounters, the eventual goal of a consistent combination of long-term dynamics and individual collision outcomes in an active planet formation environment is realized for the first time in the final work of this thesis, with the combination of N-body dynamics and SPH collision simulations in a hybrid approach. Besides physically accurate tracking of water transfer and loss in accretionary and erosive encounters, both post-collision bodies are independently followed in hit-and-run events. This framework is applied in a solar-system-like architecture, with a collisionally evolving debris disk of embryos + planetesimals spanning the whole terrestrial planet region (0.5 - 4 au), and including giant planets resembling Jupiter and Saturn either on circular or eccentric orbits. The results clearly indicate that a realistic collisional evolution leads to considerably different outcomes in various ways, not only a common reduction in final water inventories (typically a factor of 2 or more), but also significantly lengthened accretion timescales, which combined alleviate the otherwise large differences between scenarios with circular and eccentric giant planets, that commonly result from simplified perfect merging. The final water content of growing potentially habitable planets seems to be determined by very few decisive (giant) collisions, mostly with other large, protoplanet-sized objects, where frequent hit-and-run encounters and their rather low water (and mass) transfer efficiencies come into play, which emphasizes the need for their accurate modeling. Beyond this first application I believe that this hybrid approach has a large potential to serve as a solid basis for including further physical processes, particularly the combination of collisional and geophysical / atmospherical evolution, towards an eventually truly holistic understanding of the way of water to young terrestrial planets