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Dust in circumstellar disks

Rodmann, Jens

German Title: Staub in zirkumstellaren Scheiben

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PDF, German
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Abstract

This thesis presents observational and theoretical studies of the size and spatial distribution of dust particles in circumstellar disks. Using millimetre interferometric observations of optically thick disks around T Tauri stars, I provide conclusive evidence for the presence of millimetre- to centimetre-sized dust aggregates. These findings demonstrate that dust grain growth to pebble-sized dust particles is completed within less than 1 Myr in the outer disks around low-mass pre-main-sequence stars. The modelling of the infrared spectral energy distributions of several solar-type main-sequence stars and their associated circumstellar debris disks reveals the ubiquity of inner gaps devoid of substantial amounts of dust among Vega-type infrared excess sources. It is argued that the absence of circumstellar material in the inner disks is most likely the result of the gravitational influence of a large planet and/or a lack of dust-producing minor bodies in the dust-free region. Finally, I describe a numerical model to simulate the dynamical evolution of dust particles in debris disks, taking into account the gravitational perturbations by planets, photon radiation pressure, and dissipative drag forces due to the Poynting-Robertson effect and stellar wind. The validity of the code it established by several tests and comparison to semi-analytic approximations. The debris disk model is applied to simulate the main structural features of a ring of circumstellar material around the main-sequence star HD 181327. The best agreement between model and observation is achieved for dust grains a few tens of microns in size locked in the 1:1 resonance with a Jupiter-mass planet (or above) on a circular orbit.

Translation of abstract (German)

Die vorliegende Arbeit beschreibt Beobachtungen sowie theoretische Untersuchungen der Partikelgröße und räumlichen Verteilung von Staub in zirkumstellaren Scheiben. Interferometrische Beobachtungen von T-Tauri-Sternen im Millimeterbereich belegen die Existenz von millimeter- bis zentimetergroßen Staubteilchen im Außenbereich der Scheiben. Die Ergebnisse weisen darauf hin, dass Teilchenwachstum bis zu diesen Dimensionen in weniger als 1 Millionen Jahre erfolgt. Die Modellierung der spektralen Energieverteilung mehrerer sonnenähnlicher Hauptreihensterne mit Infrarotexzess zeigt, dass die Innenregionen vieler Scheiben staubfrei sind. Dies lässt sich auf den gravitativen Einfluss eines massereichen Planeten und/oder eine verringerte Staubproduktion im Innenbereich der Scheibe zurückführen. Ein Modell zur Simulation der dynamischen Entwicklung von Staub in gasfreien Scheiben wird beschrieben. Es berücksichtigt den Einfluss von Planeten, Strahlungsdruck sowie Reibungskräfte durch Poynting-Robertson-Effekt und Sonnenwind. Das Modell wird angewendet, um den Staubringes von HD 181327 zu simulieren. Die beste Übereinstimmung zwischen Simulation und Beobachtung wird für rund 30-Mikrometer große Teilchen erzielt, die sich in 1:1-Resonanz mit einem Planeten mit mehr als einer Jupitermasse befinden.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Henning, Prof. Dr. Thomas
Date of thesis defense: 15. February 2006
Date Deposited: 13. Mar 2006 09:26
Date: 2006
Faculties / Institutes: Service facilities > Max-Planck-Institute allgemein > MPI for Astronomy
Subjects: 520 Astronomy and allied sciences
Controlled Keywords: Zirkumstellare Hülle, Heidelberg / Max-Planck-Institut für Astronomie, Infrarotquelle, Astronomie, Infrarotastronomie, Astrophysik, Staubkorn
Uncontrolled Keywords: zirkumstellare Scheibe, Modellierung spektraler Energieverteilungen , Debris-Scheiben , Hermite-Algorithmuscircumstellar disk , grain growth , SED modelling , debris disk , Hermite algorithm
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