The intricate interplay between protoplanetary disc winds, giant planets, and discs

Weber, Michael Lukas (2024): The intricate interplay between protoplanetary disc winds, giant planets, and discs: modelling photoevaporative winds and their observational tracers. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik

Abstract

Protoplanetary discs, as the birthplaces and nurseries of planets, are crucial to understanding planet formation. Disc winds and planet-disc interactions are fundamental mechanisms shaping the structure and evolution of protoplanetary discs and the planets within them. Massive planets can influence their discs by creating substructures such as gaps and spiral density waves, significantly impacting the dynamics of gas and dust within the disc. Winds can strip material from the disc, eventually dispersing it and setting an upper limit on both its lifetime and the timeframe available for planet formation. Despite their importance, the detailed mechanisms driving these winds – particularly the roles of thermal and magnetic processes at various locations and evolutionary stages – remain poorly constrained. This thesis investigates the intricate interplay between a thermal disc wind launched by X-ray photoevaporation and the substructures produced by giant planets. While previous detailed studies examined these processes separately, this work integrates them into one comprehensive model to investigate their interactions. Additional focus is put on producing synthetic observations of atomic forbidden emission lines in several disc wind models that can be compared to observational data and help constrain the launching conditions of disc winds. This work quantifies the impact of planets on the wind and vice versa by conducting 3D hydrodynamic simulations of X-ray-irradiated protoplanetary discs hosting giant planets. The models show that a gap carved by a massive planet significantly alters the structure of a photoevaporative wind. Winds cannot be launched within or above the gap; Instead, the wind launched nearby is directed towards the gap, transporting substantial mass into it. This process creates a feedback mechanism with notable implications for the planet and disc, including partial refilling of the gap, increased mass accretion onto the planet, and reduced torque on the planet, which impacts its migration behaviour. Due to a partial recycling of the inner wind and an increased mass transport across the gap, inner disc lifetimes are prolonged. Considering these findings in synthetic disc population models could significantly alter their outcome. The predicted spectral profiles of wind-tracing emission lines suggest that variable line profiles with periodically redshifted peaks could indicate the presence of embedded planets. The X-ray photoevaporation model aligns well with spatially and spectrally observed [OI] 6300 Å emission in TW Hya, supporting the idea of a predominantly X-ray photoevaporative wind in this system. The luminosities and spectral profiles of the [OI] 6300 Å and [NeII] 12.81 μm lines predicted by X-ray irradiated magnetothermal wind models are consistent with observations when the magnetic wind component is weak. However, stronger magnetic wind components sometimes produce higher blueshifts in the [NeII] 12.81 μm lines than observed. On the other hand, they can reproduce [OI] 6300 Å profiles with high blueshifts that the other models do not reproduce.

Abstract

Protoplanetare Scheiben sind entscheidend für das Verständnis der Planetenentstehung. Die Struktur und Entwicklung von Scheiben ist insbesondere geprägt durch die Wechselwirkungen mit ihren Planeten, aber auch durch Scheibenwinde. Riesenplaneten prägen ihre Scheibe durch die Bildung von Substrukturen wie Lücken und Spiralarmen, was weitreichende Auswirkungen auf die Dynamik des Gases und des Staubs innerhalb der Scheibe hat. Scheibenwinde tragen Material ab und begrenzen so die Lebensdauer der Scheiben sowie die verfügbare Zeit für die Planetenentstehung. Ihre genauen Antriebsmechanismen, vor allem die Rolle thermischer und magnetischer Prozesse, sind jedoch weitgehend ungeklärt. Diese Dissertation untersucht das Zusammenspiel zwischen einem durch Röntgen-Photoevaporation angetriebenen Scheibenwind mit den von einem Gasriesen erzeugten Substrukturen. Dabei werden beide Prozesse in einem umfassenden Modell kombiniert, um ihre Wechselwirkung im Detail zu untersuchen. Ein weiterer Schwerpunkt liegt auf der Simulation von Beobachtungen verschiedener Modelle von Scheibenwinden. Diese können mit echten Beobachtungen verglichen werden, um mehr über die realen Bedingungen zu erfahren, unter denen Scheibenwinde angetrieben werden. Durch 3D-hydrodynamische Simulationen von Röntgen-bestrahlten protoplanetaren Scheiben, die einen Gasriesen beherbergen, quantifiziert diese Arbeit die Auswirkungen des Planeten auf den Wind und umgekehrt. Die Simulationen zeigen, dass eine von einem Riesenplaneten geformte Lücke die Struktur des Windes erheblich verändert. Innerhalb der Lücke kann kein Wind angetrieben werden. Stattdessen wird der Wind aus der Umgebung in die Lücke gelenkt und transportiert so eine große Menge Gas hinein, was erhebliche Auswirkungen sowohl auf den Planeten als auch auf die Scheibe hat: Die Lücke wird teilweise wieder aufgefüllt, der Planet kann dadurch deutlich mehr Masse aufnehmen und auch die Kräfte, die die Migration des Planeten vorantreiben, werden reduziert. Der verringerte Massenverlust durch den Wind und ein erhöhter Massentransport über die Lücke führt zu einer längeren Lebensdauer der inneren Scheibe. Die Berücksichtigung dieser Ergebnisse in Simulationen von Scheibenpopulation könnte deren Ausgang grundlegend verändern. Die simulierten Beobachtungen zeigen, dass eine periodische Variabilität von Spektrallinienprofilen ein Hinweis auf in der Scheibe eingebettete Riesenplaneten sein kann. Die Beobachtungen des Röntgen-Photoevaporationsmodells stimmen gut mit räumlich und spektral aufgelösten Beobachtungen der [OI] 6300 Å Emissionslinie in TW Hya überein. Vorhersagen der Helligkeiten und Linienprofile von [OI] 6300 Å und [NeII] 12.81 μm aus magnetisch-thermisch angetriebenen Windmodellen sind mit den Beobachtungen vereinbar, wenn der magnetische Anteil des Winds schwach ist. Wenn der magnetische Anteil hingegen stark ist, sind manche [NeII] 12.81 μm Linienprofile nicht mehr mit den Beobachtungen kompatibel, allerdings können dann bestimmte [OI] 6300 Å- Beobachtungen reproduziert werden, die mit den anderen Modellen nicht reproduzierbar sind.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Keywords: protoplanetary discs, planet-disc interactions, hydrodynamics
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
• Fakultäten: Fakultät für Physik
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 16. September 2024
• 1. Bericht­erstatter:in: Ercolano, Barbara