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type: doctoralThesis
metadata_visibility: show
creators_name: Kimmig, Carolin Nadja
title: Warped Disks in 3D – From the formation and evolution to synthetic observations
subjects: ddc-520
divisions: i-130001
adv_faculty: af-13
abstract: Planets are born in disks around young stars called protoplanetary disks. It is therefore essential to understand the physical and dynamical conditions dominating these disks. In the past decade, highly resolved observations of protoplanetary disks have transformed the research field. Many observations revealed striking non-axisymmetric structures. Some of these structures can be explained by a shadow cast from a possibly unresolved misaligned inner disk region. The abundance of such observed shadows suggests that misalignments might be common.

In this thesis, I investigate the formation, evolution and appearance of warped protoplanetary disks. To study their dynamics, I use three-dimensional grid-based simulations, a method which is not commonly used in previous models of warps. I therefore extensively test its applicability to disks misaligned with the intrinsic geometry of the grid. I find that warps can be modeled accurately under the condition of a sufficient vertical resolution. My simulations show the expected wave-like warp evolution and additionall reveal an internal twisting of the disk, which is not included in standard one-dimensional models. My various tests suggest that the twisting is a physical effect intrinsic to the three-dimensional warp evolution.

I apply the grid-based method to a formation scenario of warps: inclined stellar fly-bys. I first investigate different configurations of the fly-by trajectory with respect to the disk. The simulations show that inclined fly-bys can excite a warp of a few degrees which can last for over ten thousand years. I then model RW Aur A, an observed star-disk system that recently experienced a close encounter with another star with a well constrained trajectory. My models show that a warp of about 5° misalignment is excited, which is consistent with the observations.

Shadows, mainly observed in scattered light observations, can give insight into the warp shape. In order to find limits on the observability of warps, I investigate the shadows in radiative transfer simulations of disks viewed edge-on, where warps can cause asymmetries. I find that under optimal conditions, small warps with a misalignment of only 2° can create observable asymmetries. As the strength of the asymmetry depends on the orientation of the warp with respect to the observer, it remains challenging to infer constraints on warps from observations. However, rare orientations can lead to a brightness swap between the disk surfaces, a clear indication of a warp, which is observed in a handful of disks.
abstract_translated_text: Planeten entstehen in protoplanetaren Scheiben. Die physikalischen und dynamischen Bedingungen in diesen Scheiben sind daher wichtig. Im letzten Jahrzehnt haben neue hochauflösende Beobachtungen das Forschungsfeld grundlegend verändert. Viele dieser Beobachtungen zeigten auffällige, nicht-achsensymmetrische Strukturen. Manche dieser Strukturen können durch Schatten von einer inneren, geneigten Region der Scheibe entstehen. Scheiben mit einer solchen geneigten Region heißen S-förmig verformte Scheiben (engl. warped disks).

In dieser Arbeit untersuche ich die Entstehung, Entwicklung und das Erscheinungsbild dieser gewarpten Scheiben. Dafür simuliere ich die Dynamik der Scheiben mithilfe von dreidimensionalen, gitterbasierten Modellen. Diese Methode wurde bisher kaum für gewarpte Scheiben eingesetzt, weil die Geometrie des Gitters das Ergebnis numerisch beeinflussen könnte. Deshalb untersuche ich ausführlich, unter welchen Bedingungen die Methode für gewarpte Scheiben anwendbar ist. Meine Tests zeigen, dass Warps bei ausreichender vertikaler Auflösung gut modelliert werden können. Die Simulationen von gewarpten Scheiben ergeben die erwartete wellenartige Entwicklung des Warps. Zusätzlich beobachte ich eine innere Verdrehung der Scheibe, die bisher in eindimensionalen Modellen nicht gefunden wurde. Meine verschiedenen Tests legen nahe, dass diese Verdrehung durch einen physikalischen Effekt der Warpdynamik entsteht.

Ein Warp kann durch den Vorbeiflug eines Sterns entstehen, wenn die Flugbahn im Vergleich zur Scheibenebene geneigt ist. Solche Vorbeiflüge werden Fly-bys genannt. In meinen Simulationen untersuche ich zunächst verschiedene Bahnen der Fly-bys. Dabei entstehen Warps von wenigen Grad, die über zehntausend Jahre bestehen bleiben können. Anschließend simuliere ich RW Aur A, eine reale Scheibe, die kürzlich an einer nahen Begegnung mit einem anderen Stern beteiligt war. Meine Simulationen ergeben einen Warp von etwa 5°, was mit den Beobachtungen übereinstimmt.

In Streulichtbeobachtungen von gewarpten Scheiben sind Schatten sichtbar, die Aufschluss über die Form des Warps geben können. Ich untersuche die Schatten in Strahlungstransfersimulationen, um Grenzen der Beobachtbarkeit zu bestimmen. Dabei konzentriere ich mich auf Scheiben, die von der Seite mit Blick auf den Rand beobachtet werden. Aus diesem Blickwinkel können Asymmetrien durch Warps beobachtet werden. Ein Ergebnis meiner Arbeit ist, dass unter optimalen Bedingungen beobachtbare Asymmetrien bereits für kleine Warps von nur 2° entstehen können. Da die Stärke der Asymmetrie von der Orientierung der gewarpten Scheibe relativ zur Beobachtungsrichtung abhängt, bleibt es jedoch schwierig, aus Beobachtungen genaue Rückschlüsse auf die Warps zu ziehen. Seltene Orientierungen können jedoch zu einem Helligkeitstausch zwischen den Scheibenoberflächen führen, was ein klares Indiz für einen Warp ist und bereits in einigen Scheiben beobachtet wurde.
abstract_translated_lang: ger
date: 2025
id_scheme: DOI
id_number: 10.11588/heidok.00036856
own_urn: urn:nbn:de:bsz:16-heidok-368563
date_accepted: 2025-07-07
advisor: HASH(0x55bdeada96e0)
language: eng
bibsort: KIMMIGCAROWARPEDDISK20250707
full_text_status: public
place_of_pub: Heidelberg
citation:   Kimmig, Carolin Nadja  (2025) Warped Disks in 3D – From the formation and evolution to synthetic observations.  [Dissertation]     
document_url: https://archiv.ub.uni-heidelberg.de/volltextserver/36856/1/Kimmig-Carolin_PhD-Thesis_Warped-Disks-in-3D.pdf