Giant planet formation and a large population study of protoplanetary disks

Zormpas, Apostolos (2023): Giant planet formation and a large population study of protoplanetary disks. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik

Abstract

Our understanding of planet formation along with the study of protoplanetary disk evolution has been evolving rapidly the past decades. With the advent of new telescopes we get more detailed images than ever leading to constraints in planet formation but also to features as sub-structures that might be caused by planets. In two tangentially related studies, we first study the formation of giant planets via the emerging paradigm of pebble accretion and then we perform a large population study of protoplanetary disks to compare the observed properties to the simulated data. In our first study we find that when we use a realistic equation of state and radiative cooling in highly complex 3D-hydrodynamical simulations, the planetary core is able to open a large gap before reaching the required mass for runaway growth creating this way a transition disk. Therefore the planets at the location of Jupiter can grow up to a Super-Earth size. In the second study we explain the origin of the observed size-luminosity relation (SLR) between the 68% effective radius (r_eff) of disks with their continuum luminosity (L_mm) with simple models of gas and dust evolution. With the use of 100000 simulations we show that a larger fraction of disks populate the SLR if planets are present compared to when the disks are smooth and they do not contain any sub-structures. We find a different SLR for smooth and sub-structured disks, potentially implying that a mixture of smooth and sub-structured disks are present in the observed sample. Moreover, we constrain the initial conditions on key properties of protoplanetary disks.

Abstract

Unser Verständnis der Planetenentstehung und die Erforschung der Entwicklung protoplanetarer Scheiben hat sich in den letzten Jahrzehnten rasant entwickelt. Mit dem Aufkommen neuer Teleskope erhalten wir detailliertere Bilder als je zuvor, was uns hilft theoretische Modelle der Planetenentstehung besser einzugrenzen, aber auch zu Merkmalen wie Substrukturen führt, die von Planeten verursacht werden könnten. In zwei grob zusammenhängenden Studien untersuchen wir zunächst die Bildung von Riesenplaneten mit Hilfe des sich abzeichnenden Paradigmas der Kieselakkretion und führen dann eine große Populationsstudie protoplanetarer Scheiben durch, um die beobachteten Eigenschaften mit den simulierten Daten zu vergleichen. In unserer ersten Studie stellen wir fest, dass bei Verwendung einer realistischen Zustandsgleichung und Strahlungskühlung in hochkomplexen 3D-hydrodynamischen Simulationen der Planetenkern in der Lage ist, eine große Lücke zu öffnen, bevor er die für ein Runaway-Wachstum erforderliche Masse erreicht und auf diese Weise eine Übergangsscheibe entsteht. Daher können die Planeten an der Stelle des Jupiters bis zur Größe einer Super-Erde wachsen. In der zweiten Studie erklären wir den Ursprung der beobachteten Größen-Leuchtkraft-Relation (SLR) zwischen dem 68%-Effektivradius (r_eff) von Scheiben mit ihrer Kontinuumsleuchtkraft (L_mm) mit einfachen Modellen der Gas- und Staubentwicklung. Mit Hilfe von 100000-Simulationen zeigen wir, dass ein größerer Anteil der Scheiben mit Substruktur die SLR bevölkert, wenn Planeten vorhanden sind, als wenn die Scheiben glatt sind und keine Unterstrukturen enthalten. Wir finden eine unterschiedliche SLR für glatte und unterstrukturierte Scheiben, was möglicherweise bedeutet, dass eine Mischung aus glatten und unterstrukturierten Scheiben in der beobachteten Probe vorhanden ist. Darüber hinaus schränken wir die Anfangsbedingungen für wichtige Parameter von protoplanetaren Scheiben ein.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
• Fakultäten: Fakultät für Physik
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 26. April 2023
• 1. Bericht­erstatter:in: Birnstiel, Til