Der Einfluss poröser Staubkörner auf das Erscheinungsbild zirkumstellarer Scheiben : Beobachtungen und Scheibenmodellierungen

Kirchschlager, Florian

Zirkumstellare Scheiben sind Ansammlungen von Gas und Staub um einen Stern. Sie stellen den Entstehungsort von Planetesimalen und Planeten dar, weshalb die Untersuchung ihres Aufbaus und ihrer Zusammensetzung eine große Bedeutung besitzt. Der in der Scheibe eingebettete Staub bestimmt die Kontinuumsstrahlung der Scheibe, weshalb eine genaue Kenntnis der Zusammensetzung und Form der Staubkörner wichtig ist. In der vorliegenden Arbeit werden dazu die Eigenschaften poröser Staubkörner sowie die Auswirkungen auf das Erscheinungsbild zirkumstellarer Scheiben untersucht. Darüber hinaus werden Beobachtungen und Modellierungen zirkumstellarer Scheiben präsentiert, welche es ermöglichen, Scheiben- und Staubkorneigenschaften einzuschränken. Die Berechnung der optischen Eigenschaften wie die Absorptions- und Streufähigkeit der porösen Staubteilchen erfolgt mit der Methode der Diskreten Dipol-Approximation. Es werden Strahlungstransportsimulationen für eine parametrisierte Dichteverteilung einer protoplanetaren Scheibe durchgeführt, wobei die abgeleiteten optischen Eigenschaften poröser Staubkörner verwendet werden. Dabei werden die räumliche Temperaturverteilung der Scheibe, die spektrale Energieverteilung, Streukarten und Karten der polarisierten Streustrahlung berechnet. Die Ergebnisse unter Verwendung von porösen Staubkörnern werden mit entsprechenden Ergebnissen verglichen, welche mit kompakten, sphärischen Teilchen erzielt werden. Es zeigt sich, dass Kornporosität einen starken Einfluss auf die simulierten Größen besitzt. Weiterhin wird mit dem Wechsel der Polarisationsrichtung in einzelnen Scheibenbereichen ein Effekt festgestellt, welcher diagnos-tisches Potential zum Nachweis verschiedener Staubeigenschaften wie etwa der Porosität besitzt. Des Weiteren werden Studien zu zwei realen zirkumstellaren Scheiben durchgeführt. Dazu wird eine Beobachtung der protoplanetaren Scheibe von FS Tau B mit dem Instrument NACO am Very Large Telescope vorgestellt. In Kombination mit einer räumlich aufgelösten Beobachtung im nahen Infrarot sowie der spektralen Energieverteilung erfolgt mit Hilfe von Strahlungstransportsimulationen eine detaillierte Modellierung der Staubverteilung sowie der Staubeigenschaften der Scheibe von FS Tau B. Das ermittelte Modell kann die wesentlichen Beobachtungsdaten reproduzieren. Weiterhin wird Staubkornwachstum in der Scheibe nachgewiesen. Die zweite Studie untersucht die Scheibe HIP 22263, bei der es sich um eine im Entwicklungsstadium bereits fortgeschrittene, sogenannte Debris-Scheibe handelt. Unter Verwendung von räumlich aufgelösten Beobachtungen im fernen Infrarot sowie der spektralen Energieverteilung wird eine Scheibenmodellierung durchgeführt, die einen relativ schmalen Ring ergibt. Beide Studien geben Einblicke in die räumliche Dichteverteilung und die Staubkorneigenschaften in den Scheiben und leisten damit einen Beitrag zum Verständnis der Scheibenentwicklung und damit der Entstehung von Planeten.

Circumstellar disks are accumulations of gas and dust around a star. Since they represent the birth-place of planetesimals and planets, their structure and composition is of great importance. The dust embedded in the disk determines the disk's continuum radiation. Hence a precise knowledge of the composition and shape of the dust particles is necessary. In this thesis the properties of porous dust grains are investigated and the effect of dust grain porosity on the appearance of circumstellar disks is examined. Moreover, observations and modeling of circumstellar disks are presented which enable to constrain the properties of the disks and the dust grains. The calculation of the optical properties such as absorption and scattering of the dust particles are performed using the method of discrete dipole approximation. Radiative transfer simulations are carried out for a parameterized disk-distribution, applying the derived optical properties for the porous dust grains. The spatial temperature distribution of the disk, the spectral energy distribution, scattering maps and maps of the polarized scattered radiation are calculated. The results using porous dust grains are compared with the corresponding results for compact, spherical particles. In conclusion, grain porosity has a strong influence on the quantities simulated. Moreover, an effect is observed which describes a change of the polarization direction in selected disk regions and which possesses a diagnostic potential for detection of different dust properties such as porosity. Furthermore, studies of two real circumstellar disks are conducted. An observation of the protoplanetary disk of FS Tau B using the instrument NACO at the Very Large Telescope is presented. Combining this with a spatially resolved observation in the near-infrared as well as the spectral energy distribution, a detailed modeling of the dust distribution and dust properties of the disk of FS Tau B is constructed using radiative transfer simulations. This model reproduces the essential observational data. Moreover, grain growth is detected in the disk. The second study examines the disk HIP 22263, which is already in an advanced stage of development, classified as debris disk. Using spatially resolved far-infrared observations as well as the spectral energy distribution, disk modeling is performed, which results in a relatively narrow ring. Both studies provide insights into the spatial density distribution and the dust grain properties in the disks and thus contribute to the understanding of disk evolution and the formation of planets.

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Kirchschlager, Florian: Der Einfluss poröser Staubkörner auf das Erscheinungsbild zirkumstellarer Scheiben. Beobachtungen und Scheibenmodellierungen. 2015.

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