Inheritance of dust from cores to disks

Cacciapuoti, Luca (2024): Inheritance of dust from cores to disks: measurements of dust properties through the infalling envelopes of young protostars. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik

Abstract

It has been long understood that star and planet formation starts from the collapse of dense cores of material embedded in the more diffuse interstellar medium. As these collapse under the force of gravity, their inner densities and their initial rotation increase. This collapse will thus produce a protostar at the centre, a compact object that will keep accreting mass from an infalling envelope and via a flattened disk that forms due to conservation of angular momentum. While only accounting for 1% of the total infalling material, mostly dominated by molecular gas, dust grains play crucial roles in the evolution of forming systems. Dust grains represent the initial reservoir to form the cores of giant planets and the bulk of terrestrial planets. Dust grains also carry volatiles in the form of icy mantles to the protoplanetary disk, where they will be released and possibly incorporated in the atmospheres of new exoplanets. Even more strinkingly, due to their coupling to magnetic fields, charged dust grains contribute to the transport of angular momentum within the collapsing system. If dust is well coupled, it can remove significant amounts of angular momentum from it and hinder the formation of a rotationally supported circumstellar disk or, more generally, shape its extent. The efficiency of this phenomenon, called magnetic breaking, depends on the properties of dust and in particular on the dust size distribution. For these reasons, characterizing dust particles in the infalling envelopes of young protostellar systems becomes a critical task. Since envelopes are very dense and collapse from 10,000 au to 100 au circa, radiointerferometry offers our best chance at studying them. Dust at envelope scales thermally emits in the submillimetre regime because of its low temperatures and it is thus detectable in the radio spectral regime. Moreover, the intrinsic multi-scale nature of the problem requires an ''adjustable'' resolution in order to trace possible evolution of dust properties from the outer to the inner envelope. In this Thesis work, I thus utilize data from state-of-the-art radiointerferometers to constrain the dust size distribution in the infalling envelopes of young protostars, by measuring the spectral index of their spectral energy distribution. I find that envelopes are characterized by a variety of spectral indices. These can be explained with the presence of sub-micron dust particles much similar to the ones of the interstellar medium in some cases, and by some degree of dust evolution and perhaps optical depth effects in other instances. I find that a tentative correlation might exist between these spectral indices and the outflows mass loss rates of some systems, suggesting observational evidence for a possible mechanism in which dust grains evolve in protoplanetary disks and are then lifted via outflows to the natal envelope in a recycling pattern. Finally, I present the first constraints of the dust grain size distribution in an infalling "streamer'', an asymmetric event of episodic infall much like the many that the community is detecting more and more often, a reminder that star and planet formation is an instrinsically intricate, multi-scale, and multi-stage process. This Thesis represents an effort to deepen our understanding of dust properties across the infalling envelopes that embed young protoplanetary disks and protostars. It contributes to largely extend the number of objects for which more and stricter constraints are available; it required to develop methodologies that enable a refined analysis of this problem with respect to the past; and it presents original observational evidences for the life cycle of dust around young stellar forming systems.

Abstract

Es ist seit langem bekannt, dass die Entstehung von Sternen und Planeten mit dem Kollaps dichter Kerne von Material beginnt, die in dem weniger dichten interstellaren Medium eingebettet sind. Während diese unter dem Einfluss der Schwerkraft kollabieren, nehmen ihre inneren Dichten und ihre anfängliche Rotation zu. Dieser Kollaps führt dazu, dass sich im Zentrum ein Protostern bildet, ein kompaktes Objekt, das weiterhin Masse aus einer einfallenden Hülle und über eine abgeflachte Scheibe akkretiert, die sich aufgrund der Erhaltung des Drehimpulses bildet. Obwohl sie nur etwa 1% des gesamten einfallenden Materials ausmachen, das hauptsächlich aus molekularem Gas besteht, spielen Staubkörner eine entscheidende Rolle in der Entwicklung von entstehenden Systemen. Staubkörner stellen das ursprüngliche Reservoir zur Bildung der Kerne von Gasriesen und den Großteil der terrestrischen Planeten dar. Staubkörner transportieren auch flüchtige Stoffe in Form von eisigen Hüllen in die protoplanetare Scheibe, wo sie freigesetzt und möglicherweise in die Atmosphären neuer Exoplaneten eingebaut werden. Noch bemerkenswerter ist, dass geladene Staubkörner durch ihre Kopplung an Magnetfelder zum Transport von Drehimpuls innerhalb des kollabierenden Systems beitragen. Wenn Staub gut gekoppelt ist, kann er erhebliche Mengen an Drehimpuls aus dem System entfernen und die Bildung einer rotatorisch gestützten zirkumstellaren Scheibe verhindern oder allgemeiner deren Ausdehnung beeinflussen. Die Effizienz dieses Phänomens, das als magnetische Bremsung bezeichnet wird, hängt von den Eigenschaften des Staubs und insbesondere von der Größenverteilung der Staubkörner ab. Aus diesen Gründen wird die Charakterisierung von Staubpartikeln in den einfallenden Hüllen junger protostellarer Systeme zu einer kritischen Aufgabe. Da die Hüllen sehr dicht sind und von etwa 10.000 AU auf etwa 100 AU kollabieren, bietet die Radiointerferometrie die beste Möglichkeit, sie zu untersuchen. Staub in diesen Hüllen emittiert aufgrund seiner niedrigen Temperaturen thermische Strahlung im Submillimeterbereich und ist daher mit Radiointerferometern nachweisbar. Darüber hinaus erfordert die inhärente Multi-Skalen-Natur des Problems eine "anpassbare'' Auflösung, um eine mögliche Evolution der Staubeigenschaften von der äußeren bis zur inneren Hülle zu verfolgen. In dieser Dissertation nutze ich daher Daten von hochmodernen Radiointerferometern, um die Größenverteilung von Staub in den einfallenden Hüllen junger Protosterne zu bestimmen, indem ich den Spektralindex ihrer Spektralenergiedichte messe. Ich stelle fest, dass die Hüllen durch eine Vielzahl von Spektralindizes gekennzeichnet sind. Diese können in einigen Fällen durch das Vorhandensein von submikronischen Staubpartikeln, die denjenigen im interstellaren Medium sehr ähnlich sind, erklärt werden und in anderen Fällen durch eine gewisse Staubevolution und möglicherweise durch optische Tiefeffekte. Ich finde, dass möglicherweise eine Korrelation zwischen diesen Spektralindizes und den Massenverlusten durch Ausflüsse bei einigen Systemen besteht, was auf Beobachtungsbelege für einen möglichen Mechanismus hindeutet, bei dem Staubkörner in protoplanetaren Scheiben evolvieren und dann über Ausflüsse in die ursprüngliche Hülle zurückgeführt werden, in einem Recyclingmuster. Schließlich präsentiere ich die ersten Einschränkungen der Staubkorn-Größenverteilung in einem einfallenden "Streamer'', einem asymmetrischen Ereignis episodischen Einfalls, ähnlich den vielen, die in der Gemeinschaft immer häufiger entdeckt werden – eine Erinnerung daran, dass die Entstehung von Sternen und Planeten ein von Natur aus komplexer, vielschichtiger und mehrstufiger Prozess ist. Diese Dissertation stellt einen Beitrag zur Vertiefung unseres Verständnisses der Staubeigenschaften in den einfallenden Hüllen dar, die junge protoplanetare Scheiben und Protosterne umgeben. Sie trägt dazu bei, die Anzahl der Objekte, für die genauere und strengere Einschränkungen verfügbar sind, erheblich zu erweitern; sie erforderte die Entwicklung von Methoden, die eine verfeinerte Analyse dieses Problems im Vergleich zur Vergangenheit ermöglichen; und sie präsentiert originale Beobachtungsbelege für den Lebenszyklus von Staub um junge sternenbildende Systeme.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Keywords: ISM: dust and gas, star formation, protoplanetary disks, streamers, protostellar envelopes, interferometry
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
• Fakultäten: Fakultät für Physik
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 23. Oktober 2024
• 1. Bericht­erstatter:in: Ercolano, Barbara