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Daemgen, Sebastian (2012): The evolution of protoplanetary disks in T Tauri binary systems. Dissertation, LMU München: Faculty of Physics
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Abstract

Doppelsterne gehören zu den am häufigsten gebildeten Objekten im Sternentstehungsprozess. Dennoch ist der Einfluss von stellaren Begleitern auf die Entwicklung zirkumstellarer Scheiben, dem Geburtsort der Planeten, bisher wenig verstanden. Die vorliegende Arbeit beschreibt und diskutiert Nahinfrarotbeobachtungen von 52 stellaren Vielfachsystemen mit projizierten Abständen von 25 bis 1000 Astronomischen Einheiten (AE) in den Sternentstehungsregionen des Orion Nebula Cluster und Chamaeleon I. Damit handelt es sich um die größten homogenen Studien protoplanetarer Scheiben in T Tauri-Doppelsternen in diesen beiden Regionen und um eine der umfangreichsten Untersuchungen dieser Art bisher. Die aufgenommenen Beobachtungsdaten erlauben die Bestimmung von individuellen stellaren (z.B. Effektivtemperatur, Leuchtkraft, Alter, Masse) und Systemparametern (Abstand der Komponenten, Massenverhältnis). Zusätzlich dient die Detektion von Brackett-gamma-Emission als Anzeichen für aktive Akkretion während zirkumstellarer Staub in der inneren Scheibe mittels Nahinfrarotfarbexzess nachgewiesen wird. Die Ergebnisse zeigen, dass der Anteil an Doppelsternkomponenten mit intakter Akkretionsscheibe signifikant geringer ist als der von Einzelsternen vergleichbarer Masse in beiden Regionen. In engen Systemen mit weniger als 100 AE projiziertem Abstand ist die Akkretionsscheibenhäufigkeit auf etwa die Hälfte des Einzelsternwertes reduziert. Heißer Staub in der inneren Scheibe ist in engen Doppelsystemen <100 AE jedoch nur leicht verringert und für >100 AE identisch zu der von Einzelsternen. Die gemessenen Massenakkretionsraten in Doppelsternkomponenten erweisen sich als ununterscheidbar von denen in Einzel- und Doppelsystemen anderer Sternentstehungsregionen. Die gesammelten Daten lassen folgende Schlüsse zu: (a) Die Komponenten von Doppelsternen enstehen vorrangig gleichzeitig, was gegen Einfang ursprünglich isolierter Komponenten als hauptsächlichen Doppelsternenstehungsmechanismus spricht. (b) Scheiben in Doppelsternen enger als ~100 AE entwickeln sich, und verschwinden, schneller als Einzelsternscheiben. (c) Im Gegensatz zur Scheibenentwicklung in Einzelsternen ist die Lebenszeit einer Scheibe um die masseärmere Komponente eines Doppelsterns kürzer als die um den Primärstern. (d) Während die Lebenszeit einer Scheibe durch ihren äußeren Durchmesser (also indirekt durch den Doppelsternabstand) bestimmt wird, sind die Massenakkretionsraten universell. Dies ist ein Hinweis auf eine Entkopplung der Entwicklung der inneren und äußeren Scheibe. (e) Die Parallelen in der Häufigkeit von Scheiben um Komponenten von Doppelsternen und der Detektion von Planeten in vergleichbaren Systemen legt einen schnellen Planetenenstehungsprozess für massereiche (>1 M_Jup) Gasplaneten nahe (z.B. "disk fragmentation") und einen langsameren Prozess (z.B. "core accretion") für masseärmere Planeten.

Abstract

Binary stars are among the most common outcome of star formation. However, many details remain to be explored of how binarity influences the evolution of primordial circumstellar disks, the birthplaces of planets. Tidal interactions and irradiation can change disk geometries and lifetimes, dust properties, and thus the conditions for planet formation. This thesis presents high-spatial resolution near-infrared photometric and spectroscopic observations of 52 visual multiple stars with projected separations of 25--1000 AU in the Orion Nebula Cluster and Chamaeleon I star-forming regions. It represents the largest coherent study of protoplanetary disks around the individual components of T Tauri binary stars in the two regions, and is among the largest of its kind in nearby star-forming regions to date. The data are used to infer individual stellar (e.g. effective temperature, luminosity, age, mass) and binary parameters (separation, component mass ratio). These are brought into context with disk parameters of each component: ongoing accretion is inferred from the strength of Brackett-gamma emission and the existence of hot dust at the inner rim of the circumstellar disk is measured from near-IR excess emission. The new results show a significant reduction of the frequency of accretion disks around binary components compared to single stars in the same regions. The effect is strongest in close binaries with <100 AU projected separation where the frequency of accretors among the binary components is less than 1/2 of the single star accretor fraction. While these close systems also show a mild reduction of targets with hot circumstellar dust, wider binaries have a dust disk fraction comparable to single stars. The derived mass accretion rates were measured to not depend on the fact that stars are accompanied by binary companions at separations of ~100-1000 AU. The new results are put into context with findings from the fields of star formation, disk evolution, and planet formation to derive the following conclusions: (a) Binary components form simultaneously. Capture is not the major binary formation process. (b) Disk evolution is accelerated in binary stars of separations <100 AU compared to single stars of the same mass. (c) Opposite to single star disk evolution, the disk around the less massive component has on average a shorter lifetime than the more massive component's disk. (d) While the lifetime of a disk depends on the diameter of a disk, mass accretion rates are independent of a disk's size and lifetime. A possible reason is a decoupling of inner and outer disk properties. (e) The correlation of disk and planet statistics around binary components supports a rapid formation of gas planets with masses greater than 1 Jupiter mass (through e.g. disk fragmentation) and a slower process (e.g. core accretion) for lower-mass planets.