Beobachtung und Modellierung zirkumstellarer Scheiben

Gräfe, Christian

Zirkumstellare Scheiben sind eine Folge des Sternentstehungsprozesses. Sie bestehen aus Gas und Staub und gelten nach dem heutigen Verständnis als die Umgebung für die Entstehung von Planeten. Wie die Staubteilchen in der Größe von wenigen Nanometern zu Objekten von mehreren Metern im Durchmesser anwachsen und sich bis hin zu Planeten entwickeln, ist bislang im Detail noch kaum verstanden und stellt eine fundamentale Frage in der Astrophysik dar. Staubkornwachstum sowie radiale Segregation und vertikale Sedimentation der Staubteilchen innerhalb der Scheibe gehören dabei zu den wichtigsten Prozessen in der Entwicklung zirkumstellarer Scheiben. Für ein besseres Verständnis von der Entstehung von Planeten ist es erforderlich, die beobachtbaren Auswirkungen dieser und weiterer Entwicklungsprozesse zu studieren. Im ersten Teil dieser Dissertation wird, basierend auf hochaufgelösten Beobachtungsdaten im Wellenlängenbereich vom nahen Infrarot bis zu Millimeterwellenlängen, die detaillierte Modellierung der zirkumstellaren Scheibe des Butterfly Stars präsentiert. Das unter Verwendung von Strahlungstransportmethoden entwickelte Modell ist dabei in der Lage, alle Beobachtungsergebnisse zu reproduzieren und liefert neue Erkenntnisse über die Staubeigenschaften in dieser Scheibe. Im Rahmen dieser Studie wird erstmals eine vom Scheibenradius abhängige Sedimentation der Staubkörner direkt nachgewiesen. Der zweite Teil der vorliegenden Arbeit beschreibt die Beobachtung und Analyse von fünf zirkumstellaren Scheiben im mittleren Infrarot. Derartige Beobachtungen liefern insbesondere Informationen über die Scheibenbereiche potentieller Planetenentstehung. Für alle fünf Scheiben werden Einschränkungen für die Ausdehnung von Löchern im Scheibeninneren als Folge verschiedener Entwicklungsprozesse, wie beispielsweise die Wechselwirkung eines Planeten mit der Scheibe, ermittelt. Dabei ist die Beobachtung einer der Scheiben räumlich aufgelöst, so dass der Radius des im Inneren der Scheibe befindlichen Loches bestimmt wird.

Circumstellar disks are a result of the star formation process. They are composed of gas and dust, and according to the current understanding are considered to be the environment for the formation of planets. So far, the details of how the dust particles of the size of a few nanometers grow to objects of several meters in diameter and evolve up to planets is still poorly understood and constitutes a fundamental question in astrophysics. Dust grain growth as well as radial segregation and vertical sedimentation of the dust particles within the disk are among the most important processes in the evolution of circumstellar disks. For a better understanding of the formation of planets it is necessary to study the observable implications of these and other processes. The first part of this thesis presents a detailed multi-wavelength modeling based on highly resolved observational data covering a wavelength range from the near-infrared to millimeter wavelengths of the circumstellar disk of the Butterfly Star. Using radiative transfer techniques the developed model is capable of reproducing all observational results and provides new insights into the dust properties of this disk. A radial dependent settling of dust grains in a circumstellar disk is directly proven first in this study. The second part of the present thesis describes the observation and analysis of five circumstellar disks in the mid-infrared. In particular, such observations provide information on the disk regions of potential planet formation. For all five disks constraints on the extent of inner-disk holes as a consequence of different evolutionary processes, such as the interaction of a planet with the disk, are determined. The observation of one of these disks is spatially resolved, which results in an accurate determination of the inner-disk’s radius.

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Gräfe, Christian: Beobachtung und Modellierung zirkumstellarer Scheiben. 2013.

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