A population synthesis model for young stars and their discs

Somigliana, Alice (2024): A population synthesis model for young stars and their discs. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik

Abstract

Protoplanetary discs are structures of gas and dust orbiting young stars, that form as a consequence of angular momentum conservation during the star formation process. They act as a mass reservoir, storing and delivering the material that feeds the protostar and supports its accretion; furthermore, they provide the location and building blocks to form planetary systems. The main driver of the disc evolution is accretion onto the protostar. While it is well understood that this happens as a consequence of the loss of angular momentum by the disc material, the mechanism at its root is still a topic of debate. The traditional picture, prescribing a turbulent viscosity to redistribute angular momentum, is challenged by the observational evidence of low levels of turbulence; the alternative scenario of magnetic disc winds, which extract material (and angular momentum with it), provides a viable solution. Assessing the relative contribution of viscosity and winds in driving protoplanetary disc accretion is a timely question, and the main focus of this work. The ideal ground to test evolutionary models is offered by the use of large amounts of data. The increasing availability of measured disc properties - such as the mass, accretion rate, and radius - has driven the development of numerical simulations to treat entire disc populations. This approach, called population synthesis, allows to interpret the results of surveys of star-forming regions in terms of physical processes and evolutionary parameters. In this thesis, I have explored the impact of the angular transport mechanism on observables of populations of protoplanetary discs, with the goal of looking for novel evolutionary proxies. To this end, I have developed and released to the community the population synthesis tool Diskpop. I have investigated the time evolution of the observed disc mass-stellar mass and accretion rate-stellar mass correlations, finding a model-dependent behaviour; an assessment of the observability of this result highlighted the need for larger samples to be able to recover the predicted difference. In particular, completing the existing surveys - especially for the more evolved populations - would allow to use the time evolution of the slopes as a probe of the accretion mechanism. I have then investigated the possibility of using the distribution of disc lifetimes, defined as the ratio between the disc mass and accretion rate, as an observational diagnostic for disc evolution. With Diskpop simulations, I have found that the time evolution of the width of the distribution is different enough to be observable, under the assumption of reliable disc mass measurements, even after convolving with the observational uncertainties. The upcoming gas-estimated disc masses from ongoing observational programs will improve the constraints on disc lifetimes, allowing to fully exploit these theoretical predictions. This thesis lays the foundation to the systematic interpretation of disc observables with population synthesis. The proposed diagnostics will play a crucial role in constraining the disc evolution process, as larger amounts of data become available; moreover, the possibility to build on Diskpop will allow to test the impact of further physical mechanisms beyond the accretion model, refining our understanding of the star and planet formation process and bridging the current gap with the earlier evolutionary stages.

Abstract

Protoplanetare Scheiben sind Strukturen aus Gas und Staub, die junge Sterne umkreisen und sich als Folge der Drehimpulserhaltung während des Sternentstehungsprozesses bilden. Sie dienen als Massenreservoir, welches das Material speichert und abgibt, das den Protostern ernährt und seine Akkretion unterstützt; außerdem sind sie der Ort, an dem sich Planetensysteme bilden, und liefern die dafür nötigen Bausteine. Der Hauptantrieb für die Entwicklung der Scheibe ist die Akkretion auf den Protostern. Es ist zwar bekannt, dass dies als Folge des Drehimpulsverlusts des Scheibenmaterials geschieht, aber der zugrunde liegende Mechanismus ist immer noch umstritten. Das traditionelle Bild, das eine turbulente Viskosität für die Umverteilung des Drehimpulses vorschreibt, wird durch die Beobachtung geringer Turbulenzen in Frage gestellt; das alternative Szenario von magnetischen Scheibenwinden, die Material (und damit Drehimpuls) abziehen, bietet eine praktikable Lösung. Die Beurteilung des relativen Beitrags von Viskosität und Winden bei der Akkretion protoplanetarer Scheiben ist eine aktuelle Frage, die im Mittelpunkt dieser Arbeit steht. Die Verwendung großer Datenmengen ist eine ideale Grundlage für die Prüfung von Evolutionsmodellen. Die zunehmende Verfügbarkeit von gemessenen Scheibeneigenschaften - wie Masse, Akkretionsrate und Radius - hat die Entwicklung numerischer Simulationen zur Behandlung ganzer Scheibenpopulationen vorangetrieben. Dieser Ansatz, der als Populationssynthese bezeichnet wird, ermöglicht es, die Ergebnisse von Durchmusterungen sternbildender Regionen im Hinblick auf physikalische Prozesse und Entwicklungsparameter zu interpretieren. In dieser Arbeit habe ich die Auswirkungen des Winkeltransportmechanismus auf die Beobachtungsdaten von Populationen protoplanetarer Scheiben untersucht, mit dem Ziel, nach neuen evolutionären Proxies zu suchen. Zu diesem Zweck habe ich das Populationssynthesetool Diskpop entwickelt und der Gemeinschaft zur Verfügung gestellt. Ich habe die zeitliche Entwicklung der beobachteten Korrelationen zwischen Scheibenmasse und stellarer Masse sowie zwischen Akkretionsrate und stellarer Masse untersucht und dabei ein modellabhängiges Verhalten festgestellt; eine Bewertung der Beobachtbarkeit dieses Ergebnisses hat gezeigt, dass größere Stichproben erforderlich sind, um die vorhergesagte Differenz zu ermitteln. Insbesondere die Vervollständigung der bestehenden Durchmusterungen - vor allem für die weiter entwickelten Populationen - würde es ermöglichen, die zeitliche Entwicklung der Steigungen als Sonde für den Akkretionsmechanismus zu nutzen. Ich habe dann die Möglichkeit untersucht, die Verteilung der Scheibenlebensdauer, definiert als das Verhältnis zwischen Scheibenmasse und Akkretionsrate, als Beobachtungsdiagnose für die Scheibenentwicklung zu verwenden. Mit Diskpop-Simulationen habe ich herausgefunden, dass die zeitliche Entwicklung der Breite der Verteilung unterschiedlich genug ist, um unter der Annahme zuverlässiger Messungen der Scheibenmasse beobachtbar zu sein, selbst nach Faltung mit den Unsicherheiten der Beobachtung. Die bald verfügbaren, anhand von Gaseigenschaften abgeschätzten Scheibenmassen aus laufenden Beobachtungsprogrammen werden eine bessere Einschränkung der Scheibenlebensdauer ermöglichen, so dass diese theoretischen Vorhersagen voll genutzt werden können. Diese Arbeit legt den Grundstein für die systematische Interpretation von Scheibenbeobachtungen mittels Populationssynthese. Die vorgeschlagene Diagnostik wird eine entscheidende Rolle bei der Eingrenzung des Scheibenentwicklungsprozesses spielen, sobald größere Datenmengen zur Verfügung stehen. Darüber hinaus wird die Möglichkeit, auf Diskpop aufzubauen, es erlauben, die Auswirkungen weiterer physikalischer Mechanismen jenseits des Akkretionsmodells zu testen, unser Verständnis des Stern- und Planetenentstehungsprozesses zu verfeinern und die derzeitige Lücke zu früheren Entwicklungsstadien zu schließen.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Keywords: protoplanetary discs, population synthesis, accretion processes, astrophysics
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
• Fakultäten: Fakultät für Physik
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 9. Dezember 2024
• 1. Bericht­erstatter:in: Ercolano, Barbara