Late-stage infall of material onto planet-forming disks

Gupta, Aashish (2024): Late-stage infall of material onto planet-forming disks. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik

Abstract

Most stars are born in groups in large-scale (≳ 1 pc) molecular clouds. The textbook description of the star formation process suggests that as the protostars evolve from the embedded Class I to Class II stage, the surrounding gaseous envelopes are fully dispersed. This leaves behind protostar-disk systems which are assumed to evolve in isolation to form planetary systems like our Solar System. However, we know that these evolved Class II sources are still moving within large-scale clouds and simulations show that they continue to accrete fresh material from their surroundings. Infall of material at these later stages can considerably alter the physical and chemical properties of protoplanetary disks, potentially resolving many open problems in star and planet formation. However, we do not yet know how common and impactful this phenomenon is. Signatures of such infall, particularly elongated trails of infalling gas often referred to as streamers, have been observed around several sources. However, these detections have mostly been serendipitous which does not allow us to understand the frequency of this phenomenon. To systematically study this, we examined whether proximity to reflection nebulae, which are essentially clouds in the vicinity of YSOs, could be used as a criterion for identifying late-infall candidates, as reported in Chapter 2. We found that all the Class II sources with known large-scale gas structures, likely due to infalling material, have reflection nebulosity in the vicinity. Moreover, we built an independent sample of Class II sources associated with reflection nebulae and all targets with adequate archival observations show some signatures of infall. As reflection nebulae are commonly seen around Class II systems, our results suggested that a significant fraction of Class II systems undergo this phenomenon. Although infalling streamers are now being routinely detected, it is not straight-forward to assess their impact on the star and planet formation processes, especially in the more evolved YSOs. To ascertain the infalling nature of observed streamers and to characterise their dynamics, we developed a novel code TIPSY (Trajectory of Infalling Particles in Streamers around Young stars), as described in Chapter 3. TIPSY simultaneously fits the morphology and velocity gradient of streamer observations with theoretical trajectories of infalling material. The best-fit trajectories are used to constrain streamer features like the specific energy, the specific angular momenta, the infall timescale, and the 3D morphology. As test cases, we used TIPSY to fit observations of streamers around S CrA and HL Tau and these streamers to be feeding material to the disks at rates of ∼ 10 Mjupiter Myr−1. To assess the impact of late infall over the general population of Class II systems, a uniform survey of such structures is needed. DECO (Disk-Exoplanet C/Onnection) is an ALMA Large Program designed to study disk chemistry for 80 Class II sources distributed across four star-forming regions. Interestingly, the moderate-resolution and deep observations of DECO have revealed large-scale (≳ 500 au) bound structures around ∼ 40% of the sources, as discussed in Chapter 4. Moreover, the frequency of these structures varies significantly among the four regions. We also find a tentative influence of the mass of bound structures onto the mass being accreted by the central protostars from the disks. These observations strongly challenge the traditional assumption of isolated planet-forming disks. In the future, dedicated surveys of infalling signatures around Class II systems, combined with a better understanding of the timescales of such events, will tell us more about their frequency and how it varies with star-forming environments. Furthermore, improved characterisation of the physical and chemical properties of the infalling gas and the systems they are impacting will allow us to comprehend the extent of their influence on star and planet formation.

Abstract

Die meisten Sterne werden in Gruppen in ausgedehnten (≳ 1 pc) molekularen Wolken geboren. Die Lehrbuchbeschreibung des Sternentstehungsprozesses legt nahe, dass sich die umgebenden Gashüllen vollständig auflösen, wenn sich die Protosterne vom Stadium der eingebetteten Klasse I zur Klasse II entwickeln. Zurück bleiben Protostern-ScheibenSysteme, von denen man annimmt, dass sie sich isoliert zu Planetensystemen wie unserem Sonnensystem weiterentwickeln. Wir wissen jedoch, dass sich diese entwickelten KlasseII-Quellen immer noch innerhalb großer Wolken bewegen, und Simulationen zeigen, dass sie weiterhin frisches Material aus ihrer Umgebung akkretieren. Der Zufluss von Material in diesen späteren Stadien kann die physikalischen und chemischen Eigenschaften protoplanetarer Scheiben erheblich verändern und möglicherweise viele offene Probleme bei der Stern- und Planetenbildung lösen. Wir wissen jedoch noch nicht, wie verbreitet und wirkungsvoll dieses Phänomen ist. Anzeichen eines solchen Zuflusses von Material, insbesondere längliche Spuren einfallenden Gases, die oft als Streamers bezeichnet werden, sind in der Nähe mehrerer Quellen beobachtet worden. Diese Entdeckungen waren jedoch meist zufällig, sodass es uns verwehrt bleibt, die Häufigkeit dieses Phänomens zu verstehen. Um dies zu erreichen, untersuchten wir, ob die Nähe zu Reflexionsnebeln, bei denen es sich im Wesentlichen um Wolken in der Nähe von YSOs handelt, als Kriterium für die Identifizierung von Late-Infall-Kandidaten verwendet werden kann, wie in Kapitel 2 berichtet. Wir fanden heraus, dass alle Quellen der Klasse II mit bekannten ausgedehnten Gasstrukturen, die wahrscheinlich auf einfallendes Material zurückzuführen sind, Reflexionsnebel in ihrer Umgebung aufweisen. Darüber hinaus haben wir eine unabhängige Stichprobe von Quellen der Klasse II erstellt, die mit Reflexionsnebeln assoziiert sind, und alle Ziele mit adäquaten Archivbeobachtungen zeigen einige Anzeichen von Zufluss. Da Reflexionsnebel häufig in der Nähe von Klasse-II-Systemen zu sehen sind, deuten unsere Ergebnisse darauf hin, dass dieses Phänomen bei einem signifikanten Teil der Klasse-II-Systeme auftritt. Obwohl zufließende Streamer inzwischen routinemäßig entdeckt werden, ist es nicht einfach, ihren Einfluss auf die Stern- und Planetenentstehungsprozesse zu beurteilen, insbesondere bei den weiter entwickelten YSOs. Um die zufließende Natur der beobachteten Streamer zu bestimmen und ihre Dynamik zu charakterisieren, haben wir einen neuartigen Code TIPSY (Trajectory of Infalling Particles in Streamers around Young stars) entwickelt, wie in Kapitel 3 beschrieben. TIPSY passt gleichzeitig die Morphologie und den Geschwindigkeitsgradienten von Streamer-Beobachtungen mit theoretischen Trajektorien von einfallendem Material an. Die am besten angepassten Trajektorien werden verwendet, um Streamer-Eigenschaften wie die spezifische Energie, die spezifischen Drehimpulse, die Zeitskala des Einfalls und die 3D-Morphologie zu bestimmen. Als Testfälle haben wir TIPSY benutzt, um Beobachtungen von Streamern um S CrA und HL Tau zu modellieren, und diese Streamer führen den Scheiben Material mit Raten von ∼ 10 Mjupiter Myr−1 zu. Um die Auswirkungen des späten Einfalls auf die allgemeine Population von Klasse-IISystemen zu beurteilen, ist eine einheitliche Untersuchung solcher Strukturen erforderlich. DECO (Disk-Exoplanet C/Onnection) ist ein großes ALMA-Programm zur Untersuchung der Scheibenchemie von 80 Klasse-II-Quellen, die über vier Sternentstehungsgebiete verteilt sind. Interessanterweise haben die mäßig aufgelösten und tiefen Beobachtungen von DECO ausgedehnte (≳ 500 au) gebundene Strukturen um ∼ 40% der Quellen aufgedeckt, wie in Kapitel 4 diskutiert. Außerdem variiert die Häufigkeit dieser Strukturen in den vier Regionen erheblich. Wir finden auch einen vermuteten Einfluss der Masse der gebundenen Strukturen auf die Masse, die von den zentralen Protosternen aus den Scheiben akkretiert wird. Diese Beobachtungen stellen die traditionelle Annahme von isolierten planetenbildenden Scheiben in Frage. Künftig werden wir durch gezielte Untersuchungen der Signaturen von Zuflüssen in der Umgebung von Klasse-II-Systemen in Verbindung mit einem besseren Verständnis der Zeitskalen solcher Ereignisse mehr über deren Häufigkeit und deren Abhängigkeit von der Sternentstehungsumgebung erfahren. Darüber hinaus wird eine verbesserte Charakterisierung der physikalischen und chemischen Eigenschaften des einfallenden Gases und der Systeme, auf die sie einwirken, es uns ermöglichen, das Ausmaß ihres Einflusses auf die Stern- und Planetenbildung zu verstehen.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Keywords: Planet formation, Star formation
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
• Fakultäten: Fakultät für Physik
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 12. November 2024
• 1. Bericht­erstatter:in: Birnstiel, Til