German Title: Drei-Temperatur-Strahlungshydrodynamik: Ein mächtiges Werkzeug für die Erforschung protoplanetarer Scheiben

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Abstract

High-resolution observations of protoplanetary disks over a range of wavelengths have uncovered a wealth of large-scale substructures---including gaps, rings, and spirals---often attributed to the gravitational influence of nascent planets. This problem has long been studied using numerical hydrodynamics, with recent works demonstrating that the thermodynamic properties of the disk play a defining role in substructure morphology. To better model these properties within simulations, we have developed a ``three-temperature" (3T; gas, dust, radiation) scheme for the PLUTO hydrodynamics code, including absorption/emission of radiation (principally by the dust, which supplies most of the opacity) and collisional thermal relaxation between dust gains and gas (which contains most of the mass/heat capacity). Although dust and gas are thermally well-coupled in the dense midplane of a typical disk, thermal relaxation times in the more rarefied disk atmosphere reach order-unity of the dynamical time, allowing perturbations driven by an orbiting planet to decouple the dust and gas temperatures. We apply 3T to open questions inspired by disk observations, finding that planet-driven gas-kinematic and temperaure spirals (such as that seen in TW Hya) are strengthened by planetary accretion luminosity, and that large-scale, double-armed spirals in the near-infrared (such as those in SAO 206462 and V1247 Ori) may be induced not by a planet's gravity directly, but by the effect of planet-carved gaps on shadowing and illumination of the outer disk.

Translation of abstract (German)

Hochauflösende Beobachtungen protoplanetarer Scheiben, die in verschiedenen Wellenlängenbereichen gemacht wurden, haben eine große Vielfalt an Substrukturen entdeckt, darunter Lücken, Ringe und Spiralwellen. Diese werden oft auf den gravitativen Einfluss entstehender Planeten zurückgeführt. Das Problem wird seit Jahrzehnten durch numerische Hydrodynamik untersucht, und in jüngster Zeit haben viele Studien gezeigt, dass die Thermodynamik der protoplanetaren Scheibe eine entscheidende Rolle für die Morphologie der durch Planeten angetriebenen Substrukturen spielt. Um dieser Prozess besser zu modellieren, haben wir ein ``Drei-Temperatur-Modell" (3T) für den PLUTO-Hydrodynamik-Code entwickelt, das die Absorption und Emission von Strahlung (hauptsächlich vom Staubteilchen, die den größten Teil der Opazität des Systems umfassen) sowie Kollisionen zwischen Staubteilchen und Gasmolekülen (die die meiste Wärmekapazität und Masse des Systems besitzen) berücksichtigt. Obwohl der Staub und das Gas in der dichten Midplane der Scheibe thermisch stark gekoppelt sind, wird diese Kopplung in der höheren Atmosphäre der Scheibe schwächer, und die thermische Relaxationszeit länger. Daher können Temperaturstörungen im Gas, die durch einen umlaufenden Planeten verursacht werden, in diesen oberen Schichten der Scheibe weniger stark gekoppelt mit der Temperatur des Staubes sein. Wir wenden das 3T-Modell auf offene, beobachtungsinspirierte Fragestellungen an. Dabei stellen wir fest, dass die durch Planeten angetriebene Spiralwellen in der Gasgeschwindigkeit und Temperatur (wie in TW Hya beobachtet) durch die Akkretionshelligkeit verstärkt werden. Außerdem zeigen unsere Ergebnisse, dass die großen, zweiarmigen Spiralwellen im nahen Infrarot (wie in den Scheiben von SAO 206462 und V1247 Ori zu sehen) möglicherweise nicht direkt durch die Gravitation eines Planeten entstehen, sondern vielmehr durch die Auswirkungen der vom Planeten gemeißelten Lücke auf die Beleuchtung und Schattenbildung in der äußeren Scheibe.