Detailansicht
The impact of X-ray-induced photoevaporative mass loss on the long-term evolution of protoplanetary disks
Michael Cecil
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Geowissenschaften, Geographie und Astronomie
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Masterstudium Astronomie
Betreuer*in
Manuel Güdel
DOI
10.25365/thesis.73519
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-24075.08727.611843-6
Link zu u:search
(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Kontext. Protoplanetare Scheiben sind die Geburtsstätten von Planetensystemen, was sie zu interessanten Objekten für astrophysikalische Untersuchungen macht. Die kurzen Zeiträume, in denen sich solche Strukturen auflösen, verglichen zu ihren längeren Entwicklungszeitskalen, stellt ein viel diskutiertes Problem in diesem Feld dar. Die Evaporation von Scheibenmaterial durch die Strahlung des zentralen Sterns kann eine vielversprechende Lösung sein. Aber entsprechende numerische Simulationen können übliche Beobachtungen von sich auflösenden Scheiben noch nicht reproduzieren. Ziele. Ziel dieser Arbeit ist es, den Einfluss von Röntgen-Photoevaporation auf die Entwicklung von protoplantaren Scheiben mit Berücksichtigung verschiedener Stern- und Scheibenparameter durch vielseitige, implizite 1+1D Simulationen zu zeigen. Außerdem soll auf die Wichtigkeit der innersten Scheibenregionen, die von toten Zonen und magnetischen Momenten beeinflusst werden, für die Zeitskalen und Strukturen von auflösenden Scheiben hingedeutet werden. Methoden. Existierende, Röntgen-photoevaporative Massenverlustprofile werden in den impliziten, 1+1D TAPIR Code implementiert. Dieser löst das Set an achsensymmetrischen, hydrodynamischen Gleichungen um die Langzeitentwicklung von massearmen Scheiben zu simulieren. Das Modell beinhaltet magnetische Momente durch das stellare Magnetfeld und erlaubt die Entstehung von toten Zonen und episodischen Akkretionsausbrüchen. Das implizite Integrationsschema, kombiniert mit einem adaptiven Zeitschritt, ermöglicht die selbstkonsistente Modellierung der innersten Scheibenregionen. Ergebnisse. Zeit und Ort der Bildung einer Lücke in der Scheibe durch Photoevaporation wird durch das delikate Zusammenspiel von Massenfluss durch die Scheibe und photoevaporativer Massenverlustrate bestimmt. Eine Inversion des Massenflusses am Außenrand der toten Zone wird produziert sobald die Photoevaporation den Massenfluss von außen an dieser Stelle vernichtet hat. Das magnetische Moment am Scheibeninnenrand führt zu einer Ausbreitung der Flussinversion über die gesamte Scheibe. Durch die tote Zone und die Regulierung der Akkretion durch das magnetische Moment können photoevaporative Lücken in der äußeren Scheibe produziert und aufgeweitet werden während die Akkretionsrate auf den Stern hoch bleibt. Kleinere Viskositäten und höhere Röntgen-Leuchtkräfte erleichtern die Entstehung von Lücken, während eine große MRI-Viskosität und Akkretionsausbrüche sie gänzlich verhindern können. Schlussfolgerung. Die Berücksichtigung von toten Zonen und stellaren magnetischen Momenten ist eine nützliche Methode um Scheiben mit großen Lücken und hohen Akkretionsraten zu erzeugen. Diese können häufig beobachtet, aber noch nicht durch Photoevaporation erklärt werden. Die Ergebnisse zeigen, dass die Implementierung einer Photoevaporationsbeschreibung in die einzigartige Funktionsweise des TAPIR Codes nicht nur existierende Modelle reproduzieren, sondern auch wertvolle Beiträge zu diesem Forschungsfeld liefern kann.
Abstract
(Englisch)
Context. Protoplanetary disks are the birthplaces of planetary systems, which makes them a highly interesting subject for astrophysical investigations. The difference between the short dispersal timescale of such structures and their viscous timescale, resulting from both observations and theoretical considerations, poses a significant problem in this field of research. A promising candidate for solving this issue is the evaporation of disk material by heating through irradiation from the central star. However, corresponding numerical simulations still fail to explain common observations of dispersing disks. Aims. The aim of this thesis is to show the influence of X-ray photoevaporation on the structure and long-term evolution of protoplanetary disks in the context of different stellar- and disk parameters by utilizing a 1+1D hydrodynamic code with an implicit integration scheme. Both the influence of a magnetic star-disk coupling and the effect of including a dead zone on the photoevaporative disk dissolution are investigated. Furthermore, the impact of recurring, episodic accretion events, caused by thermal instability, on the dispersal process and timescale is studied. Methods. Pre-calculated photoevaporative mass loss profiles, resulting from heating by different spectra of stellar X-ray radiation, are implemented into the fully implicit, 1+1D TAPIR code, which is then used to solve the full set of axisymmetric hydrodynamic equations and simulate the long-term evolution of low-mass protoplanetary disks. The model includes the star-disk connection via the stellar magnetic field and a layered viscosity description, which leads to a self-consistent development of dead zones and may result in episodic accretion behaviour for certain ranges of disk- and stellar parameters. The implicit integration scheme combined with an adaptive timestep and an adaptive numerical grid allows for a self-consistent treatment of the processes in the inner disk while simultaneously maintaining reasonable timesteps for conducting longterm simulations. Results. The time and location of the creation of a photoevaporative gap is determined by the net radial mass transport rate, composed of radial mass in- and outflow, and photoevaporative mass loss. The net accretion mass transport rate is dependent on the initial model, effective Alpha-viscosity and pressure gradients, which are also influenced by photoevaporation. Hence, the prediction of a gap location is a complex, dynamic, nonlinear problem. Pressure gradients and radial angular momentum transport lead to a mass flux inversion at the outer edge of the dead zone as soon as photoevaporation reduces the inward mass flux to zero at this location. The magnetic torque at the inner boundary is responsible for the extension of the flux inversion over the whole disk. Due to the dead zone and the regulation of accretion by the magnetic torque, photoevaporative gaps can be created and expanded in the outer disk while the accretion rate stays high. Smaller viscosities and higher stellar X-ray luminosities facilitate gap creation, whereas a large MRI-viscosity and episodic accretion events can prevent it entirely. Conclusions. Including a dead zone and stellar magnetic torques to photoevaporating disk simulations can be a useful method of recreating disks with large gaps and high accretion rates, which are commonly observed but previously unexplained by the photoevaporation scenario. The results show, that incorporating a photoevaporation model into the TAPIR code can not only reproduce existing results, but can provide valuable additions to this field of research.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Protoplanetare Scheiben Photoevaporation Langzeitentwicklung Innere Scheibe
Schlagwörter
(Englisch)
protoplanetary disks photoevaporation long-term evolution inner disk
Autor*innen
Michael Cecil
Haupttitel (Englisch)
The impact of X-ray-induced photoevaporative mass loss on the long-term evolution of protoplanetary disks
Paralleltitel (Deutsch)
Der Einfluss von durch Röntgenstrahlung induziertem photoevaporativem Massenverlust auf die Langzeitentwicklung von protoplanetaren Scheiben
Publikationsjahr
2023
Umfangsangabe
107 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Manuel Güdel
AC Nummer
AC16858650
Utheses ID
66861
Studienkennzahl
UA | 066 | 861 | |