Die Erscheinung von zirkumstellaren Trümmerscheiben in astronomischen Beobachtungen

Sterne der Hauptreihe sind häufig von einer staubreichen Trümmerscheibe umgeben. Die Erforschung dieser Scheiben ist eng verwoben mit der von Exoplaneten, da diese ihren Zentralstern zusammen mit den Staubpartikeln umlaufen. In numerischen Simulationen kann die Intensität der vom Staub ausgehenden elektromagnetischen Strahlung berechnet und so die Erscheinung von Trümmerscheiben in astronomischen Beobachtungen modelliert werden. Mit dieser Methode werden drei Studien durchgeführt, um neue Erkenntnisse über Trümmerscheiben und ihre zugrunde liegenden physikalischen Prozesse zu gewinnen.

Die erste Studie befasst sich mit der möglichen Präsenz von Wassereis in Trümmerscheiben. Bisher liegt kein eindeutiger Nachweis davon vor. In der Folge wird Wassereis in der Beobachtungsanalyse bisweilen vernachlässigt. Die Auswirkungen dieses Schrittes auf die abgeleiteten Parameter von Trümmerscheiben werden untersucht. Im Fokus der zweiten Studie liegen langfristige gravitative Störungen der Dynamik von Trümmerscheibenobjekten, verursacht durch einen substellaren Begleiter des Sterns. Für derart gestörte Trümmerscheiben werden die räumliche Staubverteilung und ihre beobachtbare Erscheinung untersucht. Die dritte Studie befasst sich mit dem Phänomen des heißen exozodiakalen Staubes, Ansammlungen von Partikeln mit Größen im Submikrometerbereich in großer Nähe des Sterns. Im Gegensatz zu kleinen Staubkörnern ist die Menge an größeren Partikeln mit Größen bis in den Millimeterbereich nur schwach eingeschränkt. Deshalb wird der mögliche Einfluss dieser großen Partikel auf die Beobachtungsgrößen des Phänomens quantisiert. Um das Phänomen darüber hinaus weiter einzuschränken, werden auch zwei Anträge für Beobachtungen mit dem Instrument MATISSE am VLTI gestellt.

Main-sequence stars are often found to be encompassed by dust-rich debris disks. Research into such disks is strongly tied to that of exoplanets, which co-orbit the central star along with the dust grains. The intensity of the electromagnetic radiation emanating from the dust can be calculated with numerical simulations. Using this method, three studies are performed to obtain new insights into debris disks and the physical processes governing them.

The first study addresses the possible presence of water ice in debris disks. Although there are reasons arguing for its presence, there is no solid evidence of it. For this reason, its presence is at times neglected during the analysis of debris-disk observations. The effects of this decision on the estimation of debris-disk parameters are uncertain, and are investigated here. The second study examines the effects of secular gravitational perturbations on the dynamics of debris disks. The source of the perturbations is a substellar companion of the central star, such as an exoplanet. The dust distributions of such perturbed debris disks and their observational appearance are investigated here. The third study concerns the enigmatic phenomenon of hot-exozodiacal dust, which are ensembles of submicrometer-sized particles in the close vicinity of their host star. Despite multiple theoretical efforts, there is no theory available that explains all aspects of these hot-dust distributions. In contrast to the amount of small dust grains, the amount of larger grains with sizes up to the millimeter regime is only weakly constrained. Therefore, the impact of such large grains on the observable quantities of the hot- dust phenomenon is investigated. Furthermore, to obtain new evidence and further constrain the phenomenon, two proposals are submitted that aim to observe hot-exozodiacal dust with the interferometric instrument MATISSE at the VLTI.

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