Das Studium substellarer Objekte ist ein schnell wachsendes Feld. Seit 1995 and der Entdeckung des ersten braunen Zwerges und des ersten extrasolaren Gasriesen -um einen Hauptreihensternwurden hunderte substellare Objekte nachgewiesen, die faszinierende Informationen zum Testen von Evolutions- und Bildungsmodellen liefern. Die gegenwärtig schnell voranschreitende Qualität von Beobachtungen erbringen wertvolle Erkenntnisse und inspirieren zur Entwicklung zunehmend realistischer und detaillierter Modelle all der bedeutenden physikalischen Prozesse dieser Objekte. Substellare Objekte sind häufig vollkonvektiv und verfügen über molekulare Atmosphären mit complexen chemischen Prozessen. Als dominanter Energietransportmechanismus, bestimmt Konvektion über die Temperaturstruktur dieser Objekte. Zusätzlich bewirken konvektionsbedingte Temperatur- und Dichteanomalien auf- und abwärtsgerichtete Materialströmungen, welche verantwortlich für den Transport chemischer Spezies zwischen den verschiedenen Atmosphärenschichten sind. Die komplizierte Dynamik der natürlichen dreidimensionalen Konvektion kann nicht vollständig durch die weitverbreitete Approximation der 1D Mischungswegtheorie beschrieben ohne zusätzliche, willkürliche Parametrisierung. Existierende lokale 3D Strahlungs-/Hydrodynamiksimulationen von solarer Konvektion sind zu einem wertvollem Hilfsmittel zum Studium konvektiver Dynamik geworden, wobei deren Ergebnisse gut mit Sonnenbeobachtungen übereinstimmen. In den letzten Jahren wurden zunehmend kühlere Objekte mittels 3D-Simulationen studiert, mit besonderer Ausrichtung auf deren Auswirkung auf M-Zwerg Spektrallinien. Diese Arbeit stellt einen ersten Schritt in der Entwicklung eines zuverlässigen, numerischen Werkzeugs dar, das in der Lage sein wird, dreidimensionale Konvektion in substellaren Objekte zu simulieren, und konzentriert sich konvektiver Dynamik in Verbindung mit der Zustandsgleichung.
Aus diesem Grund, haben wir eine moderne Zustandsgleichung (ACES-EOS) in den Hydrodynamik- Code FLASH integriert und getestet, welche chemische Prozesse wie Molekülbildung beinhaltet und für Temperaturen bis herunter zu 100K anwendbar ist. Dennoch, bevor der ”FLASH+ACES-EOS” Code für das substellare Regime angewendet werden kann, mussten wir ihn zuerst an existierenden 3D Simulationen testen und entschieden uns für einen M-Zwerg - kühl und dicht genug, sodass Moleküle eine wichtige Rolle spielen - da entsprechende 3D Modelle existieren.
In den M-Zwerg Testsimulationen mit dem ”FLASH+ACES-EOS” Code fanden wir granulenartige Strukturen bestehend aus warmen, weniger dichten Regionen in Aufwärtsbewegung und kälteren, dichteren Regionen in Abwärtsbewegung. The schichtweise gemittelten Temperatur-, Dichte- und Druckprofile der ”FLASH+ACES-EOS” Simulationen sind in guter Ubereinstimmungmit PHOENIX/1D Modellen und das quadratische Mittel der z-Geschwindigkeitskomponenten von etwa 0,2km/s sind vergleichbar mit Ergebnissen früherer Studien. All diese Ergebnisse zeigen, dass Konvektion korrekt durch den FLASH Code mit integrierter ACES-EOS simuliert werden. Mit dem Abschluss dieses Validisierungsprozesses ist es in zukünftigen Arbeiten möglich, Simulationen für Objekte niedrigerer Temperaturen und Massen durchzuführen.
The study of substellar objects is a rapidly growing field. Since the 1995 discovery of the first brown dwarf and the first extrasolar giant planet—around a main sequence star—, hundreds of these substellar objects have been detected, providing fascinating information to test evolutionary and formation models. The recent great advances in the quality of the observations provide valuable insights, and inspire the development of more realistic and detailed models of the physical processes that govern these objects. Substellar objects are mostly fully convective and have molecular atmospheres with complex chemical processes. As the dominant energy transport mechanism, convection determines the temperature structure of these objects. Additionally, Temperature and density anomalies associated with convection generate up-flows and down-flows of material that are responsible for transporting the various chemical species between different layers. These complex and inherently 3D convective dynamics cannot be completely described by the widely used 1D mixing length theory (MLT) approximation, requiring the use of arbitrary parametrizations. 3D radiative-hydrodynamic simulations of solar convection have become a valuable tool to study the convective dynamics, and its results are in very good agreement with solar observations. In recent years, cooler objects have been studied using 3D simulations, with a special focus on the effect of convection on the M-dwarf spectral lines. This work is a first step in the development of a reliable numerical tool that is capable of simulating convection in 3D for substellar objects, and focuses on the convective dynamics in combination with the equation of state.
For that purpose, we coupled and tested a sophisticated equation of state (ACES-EOS) to the hydrodynamic FLASH code that includes chemical processes such as molecule formation and handles temperatures as low as 100K. However, before we could use the “FLASH+ACES-EOS” code in the substellar regime, we needed to test it against other existing 3D simulations and chose an M-dwarf— cold and dense enough for molecules to play a significant role—for which 3D models exist. In this M-dwarf test simulation using the “FLASH+ACES-EOS” code, we found granule-like structures with warmer and less dense regions moving upwards and colder denser regions moving downwards. The “FLASH+ACES-EOS” temperature, density and pressure altitude-mean-profiles are in very good agreement with PHOENIX/1D models and the rms z-velocity values of around 0.2km/s are similar to those obtained by previous studies. All these results indicate that convection is correctly simulated by the FLASH code coupled to the ACES-EOS. With this validation process completed, it is possible in future work to perform simulations of objects with lower temperatures and lower masses.