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From protoplanetary disks to planets: demographic constraints from observations
From protoplanetary disks to planets: demographic constraints from observations
Planeten bilden sich in scheibenfoermigen Strukturen aus Gas und Staub, die junge Sterne umkreisen. Diese sogenannten protoplanetaren Scheiben sind ueberreste des stellaren Kern- kollapses und als solche anfangs dick und dicht; sie verlieren kontinuierlich an Material, bis sie vollstaendig verschwunden sind. Planeten koennen nur entstehen, bevor das Scheibenmaterial sich zu sehr zerstreut hat. Somit haengen die Planetenbildung und die Aufloesung der Scheibe von den physikalischen Prozessen innerhalb der Scheibe ab. Fortschritte bei der Beobachtungsinstrumentierung haben in den letzten Jahren zu einem ueberwaeltigenden Durchbruch beim direkten Nachweis von Exoplaneten gefuehrt -- und damit unser Verstaendnis von protoplanetaren Scheiben und ihrer Faehigkeit zur Bildung von Planeten revolutioniert. Einerseits haben Interferometer wie das Atacama Large Millimeter Array (ALMA) es ermoeglicht, protoplanetare Scheiben in verschiedenen atmosphaerischen Schichten und bis hinunter zur Mittelebene abzubilden. Diese Beobachtungen -- insbesondere die von ALMA -- koennen dazu verwendet werden, eine große Anzahl von Scheiben detailliert zu charakterisieren und ihre Entwicklung statistisch einzugrenzen. Andererseits ist es dank Verbesserungen bei der Detektionstechnologie jetzt moeglich, exoplanetare Systeme durch eine Kombination verschiedener Techniken routinemaeßig zu detektieren. Die direkte Beobachtung von protoplanetaren Scheiben und Exoplaneten bietet außerge- woehnliche Moeglichkeiten, die Entstehung von Planeten einzugrenzen und die Planetensysteme zu charakterisieren, die ueberhaupt entstehen koennen. Die vorliegende Arbeit liegt zwischen den beiden Bereichen; ihr Ziel ist es, die physikalischen Prozesse einzugrenzen, die das Schicksal protoplanetarer Scheiben bestimmen, und abzuschaetzen, ob kuerzlich entstandene Planeten erkannt werden koennen, waehrend sie noch in der Scheibe eingebettet sind. Die Scheibeneigenschaften werden mittels einer hochgradig vollstaendigen, auf ALMA-Beobachtungen basierenden Sammlung von Scheiben charakterisiert. Hierbei werden im Rahmen einer homogenen Methodik Staub- und Gasbeobachtungen getrennt, um entscheidende Parameter wie Scheibenmasse und Staub- und Gasausdehnung abzuleiten. Die Ergebnisse werden aus einer demografischen Perspektive untersucht; dies ermoeglicht eine Eingrenzung des wahren Verhaltens der Scheibenpopulation. In dieser Dissertation wird außerdem ein Modell zur Untersuchung der Wechselwirkung zwischen Planet und Scheibe entwickelt; das Ziel ist es, die Infrarot-Extinktion aufgrund des Materials zu quantifizieren, das einen in die Scheibe eingebetteten Planeten umgibt. Dieses erweiterte Modell wird dann auf reale Systeme angewendet. Die Ergebnisse liefern erstens wichtige Beschraenkungen fuer die Haeufigkeit, mit der Planeten in sehr jungen Systemen direkt beobachtet werden koennen, und zweitens eine Richtlinie, um fuer zukuenftige Beobachtungen protoplanetare Scheiben mit idealen Bedingungen fuer die direkte Erkennung von Planeten auszuwaehlen., Planets form in disk-shaped structures of gas and dust that orbit young stars. The so-called protoplanetary disks, remnants of the core collapse process, start as thick and dense structures that continuously lose material until they completely vanish. Planets need to form before the disk material is dispersed. In such framework, planet formation and disk dispersal depend on the physical processes that take place within the disk. In recent years, thanks to the advancements in observational instrumentation, our understanding of protoplanetary disks, their ability to form planets, and the direct detection of planets has experienced an overwhelming breakthrough. On the one hand, interferometers like the Atacama Large Millimeter Array (ALMA) have allowed to resolve protoplanetary disks at different atmospheric layers and down to the mid-plane. These observations, and in particular those from ALMA, can be used to characterize in great detail large samples of disks, and to constrain the evolution of disks from a statistical approach. On the other hand, thanks to the improvements on detection technology, it is now possible to detect exoplanetary systems routinely by using various techniques. The intersection between protoplanetary disk and exoplanetary fields offers extraordinary potential to constrain planet formation and to characterize the planetary systems that might form. This Thesis lays in between the two fields, aiming to constrain the physical processes that shape the fate of protoplanetary disks, and assess whether recently formed planets can be detected when still embedded in the disk. The characterization of the disk properties is accomplished by studying a highly complete population of disks based on ALMA observations. I perform an homogeneous methodology, separating dust and gas observations, to infer crucial properties such as the disk mass, the dust and the gas extent. I study the results from a demographic perspective, which allows me to constrain the true behavior of the disk population. In this Thesis I further develop a model to study the planet-disk interaction in order to quantify the infrared extinction, due to surrounding material, that affects the detection of a planet embedded in the disk. The enhanced model is then applied to real systems. The results pose important limitations on how often planets can be directly observed in very young systems, and provide a guidance for future observations to target those protoplanetary disks with the ideal conditions for the direct detection of planets.
protoplanetary discs, stars: pre-main sequence, planets and satellites: formation, submillimeter: general, planet–disc interactions, planets and satellites: detection, infrared: planetary systems. brown dwarfs, hydrodynamics.
Sanchis Melchor, Enrique
2021
English
Universitätsbibliothek der Ludwig-Maximilians-Universität München
Sanchis Melchor, Enrique (2021): From protoplanetary disks to planets: demographic constraints from observations. Dissertation, LMU München: Faculty of Physics
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Abstract

Planeten bilden sich in scheibenfoermigen Strukturen aus Gas und Staub, die junge Sterne umkreisen. Diese sogenannten protoplanetaren Scheiben sind ueberreste des stellaren Kern- kollapses und als solche anfangs dick und dicht; sie verlieren kontinuierlich an Material, bis sie vollstaendig verschwunden sind. Planeten koennen nur entstehen, bevor das Scheibenmaterial sich zu sehr zerstreut hat. Somit haengen die Planetenbildung und die Aufloesung der Scheibe von den physikalischen Prozessen innerhalb der Scheibe ab. Fortschritte bei der Beobachtungsinstrumentierung haben in den letzten Jahren zu einem ueberwaeltigenden Durchbruch beim direkten Nachweis von Exoplaneten gefuehrt -- und damit unser Verstaendnis von protoplanetaren Scheiben und ihrer Faehigkeit zur Bildung von Planeten revolutioniert. Einerseits haben Interferometer wie das Atacama Large Millimeter Array (ALMA) es ermoeglicht, protoplanetare Scheiben in verschiedenen atmosphaerischen Schichten und bis hinunter zur Mittelebene abzubilden. Diese Beobachtungen -- insbesondere die von ALMA -- koennen dazu verwendet werden, eine große Anzahl von Scheiben detailliert zu charakterisieren und ihre Entwicklung statistisch einzugrenzen. Andererseits ist es dank Verbesserungen bei der Detektionstechnologie jetzt moeglich, exoplanetare Systeme durch eine Kombination verschiedener Techniken routinemaeßig zu detektieren. Die direkte Beobachtung von protoplanetaren Scheiben und Exoplaneten bietet außerge- woehnliche Moeglichkeiten, die Entstehung von Planeten einzugrenzen und die Planetensysteme zu charakterisieren, die ueberhaupt entstehen koennen. Die vorliegende Arbeit liegt zwischen den beiden Bereichen; ihr Ziel ist es, die physikalischen Prozesse einzugrenzen, die das Schicksal protoplanetarer Scheiben bestimmen, und abzuschaetzen, ob kuerzlich entstandene Planeten erkannt werden koennen, waehrend sie noch in der Scheibe eingebettet sind. Die Scheibeneigenschaften werden mittels einer hochgradig vollstaendigen, auf ALMA-Beobachtungen basierenden Sammlung von Scheiben charakterisiert. Hierbei werden im Rahmen einer homogenen Methodik Staub- und Gasbeobachtungen getrennt, um entscheidende Parameter wie Scheibenmasse und Staub- und Gasausdehnung abzuleiten. Die Ergebnisse werden aus einer demografischen Perspektive untersucht; dies ermoeglicht eine Eingrenzung des wahren Verhaltens der Scheibenpopulation. In dieser Dissertation wird außerdem ein Modell zur Untersuchung der Wechselwirkung zwischen Planet und Scheibe entwickelt; das Ziel ist es, die Infrarot-Extinktion aufgrund des Materials zu quantifizieren, das einen in die Scheibe eingebetteten Planeten umgibt. Dieses erweiterte Modell wird dann auf reale Systeme angewendet. Die Ergebnisse liefern erstens wichtige Beschraenkungen fuer die Haeufigkeit, mit der Planeten in sehr jungen Systemen direkt beobachtet werden koennen, und zweitens eine Richtlinie, um fuer zukuenftige Beobachtungen protoplanetare Scheiben mit idealen Bedingungen fuer die direkte Erkennung von Planeten auszuwaehlen.

Abstract

Planets form in disk-shaped structures of gas and dust that orbit young stars. The so-called protoplanetary disks, remnants of the core collapse process, start as thick and dense structures that continuously lose material until they completely vanish. Planets need to form before the disk material is dispersed. In such framework, planet formation and disk dispersal depend on the physical processes that take place within the disk. In recent years, thanks to the advancements in observational instrumentation, our understanding of protoplanetary disks, their ability to form planets, and the direct detection of planets has experienced an overwhelming breakthrough. On the one hand, interferometers like the Atacama Large Millimeter Array (ALMA) have allowed to resolve protoplanetary disks at different atmospheric layers and down to the mid-plane. These observations, and in particular those from ALMA, can be used to characterize in great detail large samples of disks, and to constrain the evolution of disks from a statistical approach. On the other hand, thanks to the improvements on detection technology, it is now possible to detect exoplanetary systems routinely by using various techniques. The intersection between protoplanetary disk and exoplanetary fields offers extraordinary potential to constrain planet formation and to characterize the planetary systems that might form. This Thesis lays in between the two fields, aiming to constrain the physical processes that shape the fate of protoplanetary disks, and assess whether recently formed planets can be detected when still embedded in the disk. The characterization of the disk properties is accomplished by studying a highly complete population of disks based on ALMA observations. I perform an homogeneous methodology, separating dust and gas observations, to infer crucial properties such as the disk mass, the dust and the gas extent. I study the results from a demographic perspective, which allows me to constrain the true behavior of the disk population. In this Thesis I further develop a model to study the planet-disk interaction in order to quantify the infrared extinction, due to surrounding material, that affects the detection of a planet embedded in the disk. The enhanced model is then applied to real systems. The results pose important limitations on how often planets can be directly observed in very young systems, and provide a guidance for future observations to target those protoplanetary disks with the ideal conditions for the direct detection of planets.