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Structure of planet-forming disks: multi-wavelength polarization diagnostics

Pohl, Adriana

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Abstract

The study of dynamic processes that drive the evolution of planet-forming disks is fundamental to understand the origin and diversity of planetary systems. This requires observations at high spatial resolution and sensitivity, which nowadays typically reveal intriguing disk substructures including gaps, rings, spirals, and shadows. This thesis investigates the capability of polarization observations at multiple wavelengths to trace the earliest stages of planet formation. In-depth radiative transfer calculations are carried out in order to link numerical simulations of dust and gas evolution in disks with their observational indicators. This approach demonstrates that measuring polarization is a powerful tool to identify the shaping effects that possible embedded planets have on the density distribution of different dust grain sizes. On the observational part, this work presents several case studies of individual planet-forming disks that were observed with polarimetric imaging by the VLT/SPHERE instrument and subsequently modeled to quantify their structure. A particular focus is the characterization of spiral and ring/gap structures in the context of dust growth, planet-disk interactions, and dust dynamics near ice lines. Furthermore, a modeling study of marginally gravitationally unstable disks is presented to study the influence of the disk self-gravity on the shape and contrast of planet-induced spiral arms in scattered light images. Additionally, it is demonstrated that polarized emission of disks at millimeter wavelengths can be caused by self-scattered thermal dust emission. It is shown that the latter is a viable method to constrain grain properties and identify dust concentrations of different origin. New ALMA observations are presented that offer the first look at a dust trap in polarized scattered light in the sub-millimeter range.

Translation of abstract (German)

Die Untersuchung von dynamischen Prozessen, die die Entwicklung von planetenbildenden Scheiben maßgeblich beeinflussen, ist fundamental, um die Entstehung von Planetensystemen und deren Vielfalt zu verstehen. Dies erfordert Teleskop-Beobachtungen bei hoher räumlicher Auflösung und Empfindlichkeit, die heutzutage für gewöhnlich faszinierende Scheibensubstrukturen einschließlich Lücken, Ringe, Spiralen und Schatten zum Vorschein bringen. Diese Doktorarbeit erforscht das Leistungsvermögen von Polarisationsbeobachtungen bei unterschiedlichen Wellenlängen, um das Frühstadium der Planetenentstehung nachzuvollziehen. Zur Verknüpfung von numerischen Simulationen der Staub- und Gasentwicklung in Scheiben mit ihren beobachtbaren Indikatoren werden ausführliche Strahlungstransportrechnungen durchgeführt. Dieses Vorgehen demonstriert, dass das Messen von Polarisation ein leistungsfähiges Werkzeug zur Identifizierung der formgebenden Effekte ist, die etwaige eingebettete Planeten auf die Dichteverteilung von verschiedenen Staubkorngrößen haben. Seitens der Beobachtungen präsentiert diese Arbeit mehrere Fallstudien einzelner planetenbildender Scheiben, die mit Hilfe des polarimetrischen Bildgebungsmodus des VLT/SPHERE Instruments beobachtet und anschließend modelliert wurden, um ihre Struktur zu erfassen. Ein besonderer Schwerpunkt liegt dabei auf der Charakterisierung von Spiral- und Ring-/Lochstrukturen im Rahmen von Staubwachstum, Planet-Scheiben-Wechselwirkungen sowie Staubdynamik nahe Eislinien. Des Weiteren wird eine Modellierungsstudie von marginal gravitativ instabilen Scheiben vorgestellt, um die Auswirkung der Eigengravitation der Scheibe auf Form und Kontrast der durch Planeten verursachten Spiralarme in Streulichtbildern zu untersuchen. Darüber hinaus wird demonstriert, dass polarisierte Emission von Scheiben im Millimeterbereich durch Selbststreuung von thermischer Staubemission verursacht werden kann. Es wird aufgezeigt, dass Letzteres eine aussichtsreiche Methode ist, um Teilcheneigenschaften einzuschränken und Staubkonzentrationen unterschiedlichen Ursprungs zu identifizieren. Neue ALMA-Beobachtungen werden vorgestellt, die erstmals einen Blick auf eine Staubfalle in polarisiertem Streulicht im Submillimeterbereich bieten.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Henning, Prof. Dr. Thomas
Date of thesis defense: 23 January 2018
Date Deposited: 02 Feb 2018 11:09
Date: 2018
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Dekanat der Fakultät für Physik und Astronomie
Subjects: 500 Natural sciences and mathematics
520 Astronomy and allied sciences
530 Physics
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