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The imprint of the disc dispersal phase on the demographics of giant planets
The imprint of the disc dispersal phase on the demographics of giant planets
Jüngste Beobachtungsprogramme von Exoplaneten haben die Existenz einer beeindruckenden Vielfalt von Planetensystemen aufgezeigt. Dies wirft daher die Frage auf, wie Planetensysteme wie das Unsere entstehen und sich entwickeln können. Der Schlüssel zur Erklärung dieser Vielfalt liegt im Verständnis der statistischen Trends, die sich aus der jüngsten Fülle von Exoplanetendaten abzeichnen. Einer davon ist ein Peak in der Halbwertsachsenverteilung von Gasriesen, die sich bevorzugt bei Bahnradien von etwa 1–2 astronomischen Einheiten anhäufen. Es wurde kürzlich die Hypothese aufgestellt, dass dieses charakteristische Merkmal während der Zeit der Planetenmigration in der gasreichen protoplanetaren Scheibe entsteht, die durch die Auflösung der Scheibe mittels röntgengetriebener Photoevaporation gestoppt wird. In dieser Dissertation untersuche ich den Einfluss der Dispersionsphase der Scheibe auf den Migrationsprozess von Gasriesen, was zu einem besseren Verständnis ihrer beobachteten Demografie führt. Zu diesem Zweck habe ich mehrdimensionale, numerische Simulationen der Scheiben-Planeten-Wechselwirkung und eine als Planetenpopulationssynthese bekannte Methode verwendet. Anschließend untersuche ich, ob diese Wechselwirkung zwischen der Scheibendispersion und Planetenentwicklung einen möglichen Abdruck in der beobachteten Demografie von Gas- riesen hinterlassen kann. Indem wir die beobachteten Röntgenleuchtkräfte von Sternen mit der Halbwertsachsenverteilung ihrer Gasriesen korrelieren, identifizieren wir ein auffälliges Merkmal, das auch qualitativ von unseren Simulationen vorhergesagt wird. Dies festigt daher unsere Anfangshypothese, dass Röntgen-Photoevaporation tatsächlich die Architektur von Planetensystemen prägt. Die Ergebnisse dieser umfangreichen Studie stellen wichtige Bedingungen für aktuelle Modelle der Planetenentstehung und -entwicklung dar und geben Orientierung für zukünftige Modelle, die eine genaue Behandlung der Dispersionsphase der protoplanetaren Scheibe berücksichtigen müssen., Recent exoplanet surveys have highlighted the existence of an impressive diversity of planetary systems, raising the question of how systems like our own can form and develop. The key to explaining their diversity lies in the understanding of the statistical trends that are now emerging from the recent wealth of exoplanet data. One of these trends is a peak in the semi-major axis distribution of gas giants that preferentially clump up at orbital radii of 1–2 astronomical units. It has recently been suggested that this characteristic feature may be established during the time of planetary migration. The migration of giant planets in the gas-rich protoplanetary disc is halted by disc dispersal via X-ray driven photoevaporation. In this thesis I aim at studying the impact of the disc dispersal phase on the migration process of gas giants, leading to a better understanding of their observed demographics. For this purpose, I have used multi-dimensional numerical simulations of disc-planet interactions and a method known as planet population synthesis. I am then investigating if this interaction between disc dispersal and planet evolution can leave any potential diagnostics in the observed demographics of giant planets. By correlating the observed X-ray luminosities of giant planet host stars with the semi-major axis distribution of their giant planets, we find a prominent feature that is also predicted qualitatively by our simulations, further strengthening the conclusion that X-ray-driven photoevaporation is indeed shaping the architecture of planetary systems. The results obtained from this extensive study pose important limitations on current models of planet formation and evolution and provide guidance for future models that need to take an accurate treatment of the disc dispersal phase into account.
Not available
Monsch, Kristina
2021
English
Universitätsbibliothek der Ludwig-Maximilians-Universität München
Monsch, Kristina (2021): The imprint of the disc dispersal phase on the demographics of giant planets. Dissertation, LMU München: Faculty of Physics
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Abstract

Jüngste Beobachtungsprogramme von Exoplaneten haben die Existenz einer beeindruckenden Vielfalt von Planetensystemen aufgezeigt. Dies wirft daher die Frage auf, wie Planetensysteme wie das Unsere entstehen und sich entwickeln können. Der Schlüssel zur Erklärung dieser Vielfalt liegt im Verständnis der statistischen Trends, die sich aus der jüngsten Fülle von Exoplanetendaten abzeichnen. Einer davon ist ein Peak in der Halbwertsachsenverteilung von Gasriesen, die sich bevorzugt bei Bahnradien von etwa 1–2 astronomischen Einheiten anhäufen. Es wurde kürzlich die Hypothese aufgestellt, dass dieses charakteristische Merkmal während der Zeit der Planetenmigration in der gasreichen protoplanetaren Scheibe entsteht, die durch die Auflösung der Scheibe mittels röntgengetriebener Photoevaporation gestoppt wird. In dieser Dissertation untersuche ich den Einfluss der Dispersionsphase der Scheibe auf den Migrationsprozess von Gasriesen, was zu einem besseren Verständnis ihrer beobachteten Demografie führt. Zu diesem Zweck habe ich mehrdimensionale, numerische Simulationen der Scheiben-Planeten-Wechselwirkung und eine als Planetenpopulationssynthese bekannte Methode verwendet. Anschließend untersuche ich, ob diese Wechselwirkung zwischen der Scheibendispersion und Planetenentwicklung einen möglichen Abdruck in der beobachteten Demografie von Gas- riesen hinterlassen kann. Indem wir die beobachteten Röntgenleuchtkräfte von Sternen mit der Halbwertsachsenverteilung ihrer Gasriesen korrelieren, identifizieren wir ein auffälliges Merkmal, das auch qualitativ von unseren Simulationen vorhergesagt wird. Dies festigt daher unsere Anfangshypothese, dass Röntgen-Photoevaporation tatsächlich die Architektur von Planetensystemen prägt. Die Ergebnisse dieser umfangreichen Studie stellen wichtige Bedingungen für aktuelle Modelle der Planetenentstehung und -entwicklung dar und geben Orientierung für zukünftige Modelle, die eine genaue Behandlung der Dispersionsphase der protoplanetaren Scheibe berücksichtigen müssen.

Abstract

Recent exoplanet surveys have highlighted the existence of an impressive diversity of planetary systems, raising the question of how systems like our own can form and develop. The key to explaining their diversity lies in the understanding of the statistical trends that are now emerging from the recent wealth of exoplanet data. One of these trends is a peak in the semi-major axis distribution of gas giants that preferentially clump up at orbital radii of 1–2 astronomical units. It has recently been suggested that this characteristic feature may be established during the time of planetary migration. The migration of giant planets in the gas-rich protoplanetary disc is halted by disc dispersal via X-ray driven photoevaporation. In this thesis I aim at studying the impact of the disc dispersal phase on the migration process of gas giants, leading to a better understanding of their observed demographics. For this purpose, I have used multi-dimensional numerical simulations of disc-planet interactions and a method known as planet population synthesis. I am then investigating if this interaction between disc dispersal and planet evolution can leave any potential diagnostics in the observed demographics of giant planets. By correlating the observed X-ray luminosities of giant planet host stars with the semi-major axis distribution of their giant planets, we find a prominent feature that is also predicted qualitatively by our simulations, further strengthening the conclusion that X-ray-driven photoevaporation is indeed shaping the architecture of planetary systems. The results obtained from this extensive study pose important limitations on current models of planet formation and evolution and provide guidance for future models that need to take an accurate treatment of the disc dispersal phase into account.