Dust dynamics and distribution in protoplanetary disks

Binkert, Fabian (2023): Dust dynamics and distribution in protoplanetary disks. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik

Abstract

Feinkörniger Staub ist der grundlegende Baustein von terrestrischen Planeten wie der Erde, die um junge Sterne entstehen. Gleichzeitig beeinflusst der Staub astronomische Beobachtungen, da er den Hauptbeitrag zur Opazität in den Gasscheiben leistet, die entstehende Sterne umgeben (sog. protoplanetare Scheiben). Daher sind genaue Modelle der Verteilung und Bewegung von Staub in protoplanetaren Scheiben von entscheidender Bedeutung für das Verständnis der Anfangsbedingungen der Planetenentstehung und für die Interpretation astronomischer Beobachtungen von jungen Planeten- und Sternensystemen. Dieses Thema ist besonders relevant, da neueste astronomischen Beobachtungen protoplanetarer Scheiben neue Maßstäbe in Bezug auf Auflösung und Empfindlichkeit setzen und dadurch unser derzeitiges Verständnis und unsere Modelle infrage stellen. In dieser Arbeit präsentiere ich ein neuartiges und in sich konsistentes Modell der turbulenten Durchmischung von Staub. Das Modell bestätigt detaillierte Vorhersagen, wobei Nachteile früherer Modelle hinsichtlich der Drehimpulserhaltung, der uneindeutigen Definition der durchmischten Größe und Auswirkungen der Bahndynamik wegfallen. Somit verbessern wir die Beschreibung der Bewegung von Staub in turbulenten protoplanetaren Scheiben maßgeblich. Anschließend zeige ich auf, wie turbulente Durchmischung von Staub und andere Transportphänomene im frühen Sonnensystem, den Mangel an beständigen Kohlenstoffverbindungen, im inneren Bereich des heutigen Sonnensystems erklären kann. Im Folgenden konzentriert sich die Arbeit auf die dreidimensionale Verteilung des Staubs in protoplanetaren Scheiben in Gegenwart eines Riesenplaneten. Mithilfe von hydrodynamischen Zwei-Fluid-Simulationen (Gas + Staub) finden wir, dass ein Planet die Staubverteilung in protoplanetaren Scheiben stark beeinflusst. Wir beschreiben beobachtbare Merkmale in synthetischen Radiowellenbeobachtungen, die es erlauben, auf die Anwesenheit eines unentdeckten Riesenplaneten in einer protoplanetaren Scheibe zu schließen. Schließlich untersuchen wir die Verwirbelung von Staub durch einen Riesenplaneten, zusätzlich zur Durchmischung durch turbulentes Gas. Wir konzentrieren uns dabei auf deren kombinierte Wirkung auf die dreidimensionale Verteilung des Staubs und untersuchen Merkmale, die mit Radiowellenbeobachtungen einer protoplanetarer Scheibe beobachtbar sind und Rückschlüsse auf die Anwesenheit eines noch unentdeckten Planeten erlauben. Diese Arbeit bietet neue Einblicke in die Dynamik von Staub in turbulenten protoplanetaren Scheiben und liefert eine Erklärung für den Mangel an beständigen Kohlenstoffverbindungen im inneren Sonnensystem. Außerdem beschreiben wir mögliche beobachtbare Merkmale von noch unentdeckten Riesenplaneten in Radiowellenbeobachtungen von protoplanetaren Scheiben.

Abstract

Fine-grained dust is the fundamental building block of terrestrial planets, like Earth, that form around young stars. At the same time, the dust distribution in the gaseous disks around forming stars, so-called protoplanetary disks, influences astronomical observations, because dust is the main contributor to the opacity in protoplanetary disks. Therefore, accurate models of the distribution and dynamics of dust are critical to understanding the initial stages of planet formation and interpreting astronomical observations of forming planetary and stellar systems. This is particularly relevant because recent astronomical observations of protoplanetary disks have reached new heights in terms of resolution and sensitivity, challenging our current understanding and models. In this thesis, I introduce a novel and self-consistent turbulent dust transport model based on a density-weighted mean-field theory that also captures non-local transport effects. The model improves upon the limitations of earlier models related to the conservation of angular momentum, the ambiguous nature of the transported quantity, and the transport effects of orbital dynamics. We therefore provide an improved description of dust dynamics in turbulent protoplanetary disks. Subsequently, I present how turbulent dust dynamics and transport in the early Solar System can explain the lack of refractory carbon in the inner Solar System today. The thesis then focuses on the three-dimensional dust distribution in protoplanetary disks in the presence of an embedded giant planet. With the help of radiative two-fluid (gas+dust) hydrodynamic simulations, we find that a planet significantly influences the dust distribution in protoplanetary disks. We identify observational signatures in synthetic radio continuum observations that hint at the potential presence of a yet undetected giant planet in a protoplanetary disk. Finally, we investigate dust stirring by a giant planet in addition to dust mixing caused by turbulent gas. We focus on the combined effects on the three-dimensional dust morphology and study observable effects of turbulent and planetary dust stirring in radio continuum observations of protoplanetary disks with an embedded planet. Our work provides novel insights into turbulent dust dynamics in protoplanetary disks and offers an explanation for the lack of refractory carbon in the inner Solar System. We also describe observational signatures of giant planets in protoplanetary disks that help with the interpretation of continuum observations. These results help guide astronomers toward the detection of forming and yet unobserved planets in protoplanetary disks.

• 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: 12. Oktober 2023
• 1. Bericht­erstatter:in: Birnstiel, Til