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High Resolution Simulations of Structure Formation in Turbulent Protoplanetary Disks: A Case Study of the Vertical Shear Instability

Manger, Natascha

German Title: Hochauflösende Simulationen der Strukturentstehung in Turbulenten Protoplanetaren Scheiben: Eine Studie der Vertikalen Scherinstabilität

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Abstract

Disks around young stars are the birth place of planetary systems like our own solar system. Thus, the study of turbulent processes in protoplanetary disks is not only important to understand the transport of angular momentum to explain for example the angular momentum deficit of our own sun, but also to understand how large scale structures emerge, which are recently regularly observed and which also represent a crucial puzzle piece in the understanding of how dust grains can grow into planetesimals via gravoturbulent processes. In this thesis, I conduct high resolution studies of three-dimensional global models of turbulent protoplanetary disks using the magneto-hydrodynamics code PLUTO. I focus my studies on the Vertical Shear Instability (VSI), which has been shown to operate efficiently at disk radii beyond a few AU in typical protoplanetary disks. I show that vortices with radial diameters of around 1.5 local pressure scale heights and aspect ratios χ > 8 form in VSI turbulent disks and that these vortices can survive more than 500 orbits. The vortices are forming irrespective of the underlying disk density gradient and aspect ratio and can therefore act as pressure traps for small to medium sized particles over a wide range of the disk. I also show evidence that these dusty vortices are compatible with detections of dust concentrations by current sub-mm interferometers. These findings therefore present a crucial puzzle piece which will help the understanding under which conditions and how early after the formation of a disk around a young star planetesimals can form via gravoturbulent planetesimal formation.

Translation of abstract (German)

Scheiben um junge Sterne sind die Geburtsstätten von Planetensystemen wie unser Sonnensystem. Daher ist das Studium turbulenter Prozesse in diesen Protoplanetaren Scheiben bedeutsam, und zwar nicht nur um den Drehimpulstransport zu verstehen und damit zum Beispiel das Drehimpulsdefizit unserer Sonne zu erklären, sondern auch um die Entstehung ausgedehnter Strukturen in diesen Scheiben zu verstehen, welche in jüngster Zeit regelmäßig in Beobachtungen gefunden werden und welche außerdem ein entscheidendes Puzzleteil in unserem Verständnis des Prozesses bilden, welcher mit Hilfe von gravoturbulenten Prozessen Planetesimale – Asteroiden und Kometen – aus Staubteilchen wachsen lässt. In dieser Dissertation präsentiere ich hochaufgelöste Simulationen von dreidimensionalen Modellen turbulenter protoplanetarer Scheiben unter Verwendung des magneto-hydrodynamik Simulationsprogramms PLUTO. Im Zentrum meiner Arbeit steht die Vertikale Scherinstabilität (VSI), welche in früheren Studien als effizient operierende Instabilität in typischen protoplanetaren Scheiben bei radialen Abständen von mehr als einer Astronomischen Einheit vom Zentralstern identifiziert wurde. Ich zeige, dass in Scheiben mit VSI generierter Turbulenz großflächige Wirbel mit einer radialen Ausdehnung von ca. 1.5 lokalen Druckskalenhöhen und einem Achsenlängenverhältnis χ > 8 entstehen und dass diese Wirbel für mehr als 500 Umläufe um den Zentralstern bestehen bleiben. Die Wirbel formieren sich dabei unabhängig vom Dichtegradienten und Radius-zu-Druckskalenhöhenverhältnis der unterliegenden Scheibe und können daher als Hochdruckfallen für kleine und mittelgroße Staubteilchen über weite Teile der Scheibe dienen. Ich präsentiere außerdem Belege dafür, dass diese staubigen Wirbelstrukturen kompatibel sind mit aktuellen sub-mm Interferometer Beobachtungen von Staubansammlungen in protoplanetaren Scheiben. Diese Ergebnisse sind daher ein wichtiger Baustein in unserem Verständnis unter welchen Bedingungen und ab welcher Zeit nach der Entstehung des jungen Sterns und seiner Scheibe die Formation von Planetesimalen durch gravoturbulente Prozesse möglich ist.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Klahr, Prof. Dr. Hubert
Date of thesis defense: 16 July 2019
Date Deposited: 02 Sep 2019 08:27
Date: 2019
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Dekanat der Fakultät für Physik und Astronomie
Service facilities > Max-Planck-Institute allgemein > MPI for Astronomy
Subjects: 520 Astronomy and allied sciences
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