Beobachtbarkeit von großskaligen Strukturen in zirkumstellaren Scheiben und Analyse ihrer Ursprünge

Ruge, Jan Philipp

Zirkumstellare Scheiben sind die Geburtsstätte von Planetensystemen. Sie bestehen zu einem überwiegenden Teil aus Gas und etwa 1% Staub und bilden sich im Zuge der Sternentstehung. Gerade die seit Kurzem möglichen Beobachtungen dieser Objekte mit ALMA bringen immer mehr ans Licht, dass es sich bei zirkumstellaren Scheiben um hoch dynamische Objekte mit großskaligen Strukturen in der Materialverteilung handelt. Inzwischen sind viele Wechselwirkungsmechanismen vorgeschlagen worden, die solche Strukturen erklären können. Allerdings ist es auch notwendig, die Beobachtbarkeit dieser theoretischen Mechanismen im Detail zu untersuchen, um ein Werkzeug zur Interpretation realer Messungen zur Hand zu haben. Besonders eignet sich hierfür ein dreiteiliges Vorgehen, bei dem zunächst die Störung der Scheibendichtestruktur in Hydrodynamiksimulationen beschrieben wird. Im nächsten Schritt werden dann Strahlungstransport-Simulationen auf der Grundlage dieser Dichteverteilungen durchgeführt und hierauf aufbauend Beobachtungen mit ausgewählten Instrumenten simuliert. Im Rahmen dieser Arbeit werden die charakteristischen Strukturen, die durch Planet-Scheibe-, Binärsystem-Scheibe- und Magnetfeld-Scheibe-Wechselwirkung in der Dichteverteilung der zirkumplanetaren, beziehungsweise zirkumbinären Scheibe entstehen, auf diese Weise untersucht. Dabei liegt ein besonderes Augenmerk auf simulierten ALMA-Beobachtungen im (sub)mm-Wellenlängenbereich. Dennoch werden auch andere Bereiche des elektromagnetischen Spektrums in die Analyse mit einbezogen, da erst durch die Kombination von Multiwellenlängen-Beobachtungen wirklich Ursachen für Scheibenstrukturen erkannt werden können. Dies ist vor allem deshalb wichtig, da es ein Ergebnis der Arbeit ist, dass ALMA für alle berücksichtigten Wechselwirkungsmechanismen tatsächlich charakteristische Strukturen beobachten kann, diese sich aber trotz unterschiedlicher Ursache derart ähneln können, dass eine Unterscheidung nicht möglich ist. So ist im Rahmen der durchgeführten Untersuchungen eine Unterscheidung der Auswirkung von Magnetfeld-Scheibe- und Planet-Scheibe-Wechselwirkung erst durch die Detektion der direkten Abstrahlung des Planeten möglich. Es werden die Bedingungen erforscht und angegeben, unter denen die planetare Abstrahlung detektiert werden kann und welche Rückschlüsse aus einer solchen Messung auf die Eigenschaften des Planeten möglich sind. Zudem zeigt sich, dass der Staub in einer zirkumstellaren Scheibe in Abhängigkeit seiner Größe eine Verteilung besitzt, die große Unterschiede zur Verteilung der Gasmoleküle besitzt. Da dieser aber für die Kontinuumsabstrahlung im (sub)mm-Wellenlängenbereich verantwortlich ist, können gerade die durch ihn erzeugten Strukturen besonders gut beobachtet werden. Das entworfene Modell zeigt hierbei große, augenscheinliche Ähnlichkeit zu einer ALMA-Beobachtung von HL Tau. Insgesamt zeigt die Arbeit allerdings, dass die Vielfalt der Ursachen für Strukturen in zirkumstellaren Scheiben so groß ist, dass ein Rückschluss von der Beobachtung einer Struktur auf die tatsächliche Ursache nicht eindeutig ist.

Circumstellar disks are expected to be the birthplace of planetary systems. They predominantly consist of gas, with about 1% dust, and they are a byproduct of star formation. Since its inauguration, ALMA has revealed, that these objects are highly dynamical and show large scale structures in their distribution of matter. Meanwhile, several interactions have been proposed to create these structures. However, it is necessary to explore the observability of the theoretical models in detail to provide a means to interpret real measurements. In particular, a three step method is appropriate for this purpose. First, the interaction processes have to be investigated in hydrodynamical simulations of the disk density profiles. Second, on the basis of these density profiles, follow-up radiative transport calculations must be performed and finally the observability for selected instruments must be predicted from the radiative transfer outcome. This thesis investigates characteristic large scale disk structures resulting from planet-disk, binary-disk and magnetic-field-disk interactions. It focuses on predicting ALMA observations in the (sub)mm wavelength range. However, the rest parts of the electro-magnetic spectrum will also be included in the investigation, because only with a combination of multi-wavelength observations it is feasible to determine the origin of a disk structure. In particular, one key result of the thesis is that ALMA is able to observe the characteristic structures of each considered interaction process, but these could appear very similar although the origin is different. Within the parameter space considered, magnetic-field-disk and planet-disk interaction can only be distinguished on the basis of the direct radiation of the planetary source. The conditions under which it is possible to detect the planetary radiation are investigated, along with what one can learn from a measurement of this radiation about the properties of the planet. In addition, the decoupling of the motion of sufficiently large dust particles from that of the gas is explored, which leads to a distribution of these particles totally different from the distribution of the gas molecules in the disk. These large dust particles dominate the thermal continuum emission of a circumstellar disk in the (sub)mm range. Thus, structures in the distribution of large particles are particularly easy to observe with ALMA. Our model shows a qualitative similarity to the recent ALMA observation of HL Tau. In general, this thesis shows that there is a large variety of disk structures and origins. Therefore, tracing from observed disk structures back to their origins is ambiguous.

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Ruge, Jan: Beobachtbarkeit von großskaligen Strukturen in zirkumstellaren Scheiben und Analyse ihrer Ursprünge.

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