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The migration of planets in protoplanetary disks

Uribe Uribe, Ana Lucía

German Title: Wechselwirkung zwischen Planeten und zirkumstellaren Scheiben

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This thesis presents a numerical study on the interaction between planets and circumstellar disks. We use the hydrodynamics/magnetohydrodynamics code PLUTO(Mignone et al, 2007) to simulate the circustellar accretion disk. A module to include embedded planets was incorporated into the code. We study two critical aspects for planet formation theory: the migration of planets due to gravitational disk torques and the accretion of gas onto planets from the surrounding disk. These two aspects are critical in any planet formation model as they will determine the final mass and the orbital separation. We first investigate aspects for massive planets in the evolutionary phase when a gap has been cleared in the disk. It is found that when a gap has been opened, the migration and gas accretion rate is linearly dependent on the surface density inside the gap. The torques exerted on the planet depend strongly on the material inside the Hill sphere when the local disk mass exceeds the planet mass. The depletion of the Hill sphere due to an accreting planet can increase migration timescales up to an order of magnitude of the linear estimate. Secondly, we investigate migration and gas accretion in turbulent disks, where turbulence is generated by the magnetorotational instability (MRI). In weakly magnetized turbulent disks, low-mass planet migration is dominated by stochastic density perturbations that can be characterized with a given amplitude and correlation time. More massive planets can undergo slower or reversed migration due to unsaturation of the corotation torque by turbulent advection and diffusion of gas into the horseshoe region. Magnetic turbulence is greatly supressed by giant planets that open a gap in the disk. Additionally, Jupiter-mass planets in turbulent disks are found to accrete less than expected from the global-averaged interal stresses in the disk. Our results can be directly implemented in planet population synthesis studies in order to better understand the nature of the observed population of extrasolar planets.

Translation of abstract (German)

Die Doktorarbeit präsentiert eine numerische Studie zur Wechselwirkung zwischen Planeten und zirkumstellaren Scheiben. Wir benutzen den hydrodynamischen/magneto-hydrodynamischen Code PLUTO citep{2007ApJS..170..228M} zur Simulation von zirkumstellaren Akkretionsscheiben. Ein Modul zur Beschreibung des Planeten wurde in den Code eingebaut. Wir untersuchen zwei entscheidende Aspekte in der Theorie der Planetenentstehung: die Migration von Planeten aufgrund des Gravitationstorque der Scheibe und die Akkretion von Gas der umliegenden Scheibe auf die Planeten. Zuerst untersuchen wir diese Gesichtspunkte fürmassereiche Planeten in der Entwicklungsphase einer Gaslücke in der Scheibe. Sobald die Gaslücke erzeugt wird, findet man eine lineare Abhängigkeit zwischen der Oberflächendichte innerhalb der Gaslücke und der Migration und Gasakkretionsrate. Der Torque welcher auf den Planeten wirkt, hängt stark von dem Material innerhalb der Hill-Sphäre ab sobald die lokale Scheibenmasse die Planetenmasse übersteigt. Die Entleerung der Hill-Sphäre aufgrund eines akkretierenden Planeten kann die Migrationszeitskala aus der linearen Abschätzung bis zu einer Gröenordnung erhöhen. Zweitens untersuchen wir die Migration und Gasakkretion in turbulenten Scheiben, generiert von der Magneto-Rotations Instabilität (MRI). In schwach magnetisierten turbulenten Scheiben dominiert die Migration von Planeten mit geringer Masse durch stochastische Dichtefluktuationen welche mithilfe einer gegebenen Amplitude und Korrelationszeit charakterisiert werden kann. Aufgrund der Ungesättigtheit des Korotationstorque von der turbulenten Advektion und Diffusion des Gases in der "horseshoe" Region können schwerere Planeten eine langsamere oder sogar eine umgekehrte Migration erfahren. Die magnetische Turbulenz ist im Falle von Riesenplaneten, welche eine Gaslücke öffnen, stark unterdrückt. Zusätzlich akkretieren Planeten mit Jupitermasse in turbulenten Scheiben weniger als vom global-gemittelten internen Stress in der Scheibe erwartet wird. Unsere Ergebnisse können direkt in ein Planeten-Populations Model eingebaut werden um die Eigenschaften der beobachteten Populationen von extrasolaren Planeten besser zu verstehen.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Henning, Prof. Dr. Thomas
Date of thesis defense: 1 February 2012
Date Deposited: 16 Feb 2012 10:30
Date: 2012
Faculties / Institutes: Service facilities > Max-Planck-Institute allgemein > MPI for Astronomy
Subjects: 520 Astronomy and allied sciences
Controlled Keywords: Planet, Computersimulation
Uncontrolled Keywords: Planets , migration , numerical simulations , protoplanetary disks
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