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Large-scale magnetic fields in protoplanetary disks
Daniel Steiner
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Geowissenschaften, Geographie und Astronomie
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Doktoratsstudium Naturwissenschaften: Astronomie
Betreuer*in
Manuel Güdel
DOI
10.25365/thesis.80041
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-26576.96469.210948-6
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Die Erforschung von protoplanetaren Scheiben, welche einen jungen Stern umgeben, kann uns helfen die Entstehung unseres eigenen Sonnensystems zu verstehen. Junge Sterne haben sehr starke Magnetfelder, welche mit der sie umgebenden Scheibe interagieren, und so das Akkretionsverhalten dieser Scheiben beeinflussen. Im ersten Teil dieser Dissertation haben wir deshalb das Langzeitverhalten von Scheiben studiert, für den Fall dass ein stellares Magnetfeld mit der Scheibe interagiert. Zu diesem Zweck verwenden wir TAPIR (The Adaptive Implicit RHD Code), einen 1+1D Hydrodynamik-Code mit einem impliziten Zeitintegrationsschema, um auch die innerste Scheibenregion über ihre gesamte Lebensdauer zu simulieren. Die gesamte Scheibe wird selbstkonsistent simuliert, wobei auch der innere Rand der Scheibe dynamisch berechnet wird als der Radius, an welchem das stellare Feld ausreicht um die Scheibe in sogenannte magnetische Trichter aufzubrechen. Langzeitberechnungen haben gezeigt, dass die innerste Scheibe selbstkonsistent mitgerechnet werden sollte, da ansonsten das Drehmoment des stellaren Dipols sowie starke Druckgradienten nicht mitberücksichtigt werden können. Zusätzlich wurde gezeigt, dass die Magnetfeldstärke des stellaren Dipols starken Einfluss darauf nimmt, ob die Scheibe episodisch akkretiert, und falls ja, die Magnetfeldstärke die Frequenz und Häufigkeit dieser Ereignisse beeinflusst. Neben stellaren Magnetfeldern haben auch großskalige Magnetfelder in der Scheibe Einfluss auf die zeitliche Entwicklung von protoplanetaren Scheiben. Die Topologie solcher Felder ist entscheidend dafür, ob und mit welcher Stärke magneto-zentrifugal und/oder magneto-thermisch beschleunigte Winde auftreten. Um die poloidale Struktur dieser großskaligen Magnetfelder zu untersuchen, haben wir TAPIR um eine Beschreibung dieser großskaligen Magnetfelder und um ein Modell zur Beschreibung von nicht-idealen MHD-Effekten erweitert. Die Simulationen haben gezeigt, dass das stellare Magnetfeld die Evolution und Topologie in der inneren Scheibe dominiert, und das das großskalige Magnetfeld die Topologie in der äußeren Scheibe bestimmt. Außerdem hat eine Parameterstudie die Erkenntnis gezeigt, dass stellare Parameter wie Rotationsperiode, stellare Magnetfeldstärke und Stärke der stellaren Röntgenstrahlung, die Topologie des großskaligen Magnetfelds überall in der Scheibe überall beeinflussen kann. Zukünftig werden wir ein Windmodell zu TAPIR hinzufügen und das gekoppelte System von Stern, Scheibe und Winden simulieren über die gesamte Lebensdauer einer Scheibe. Dies wird uns einerseits ermöglichen, die Stern-Scheiben-Kopplung noch besser zu modellieren und andererseits erlauben, das erste Mal den Einfluss von verschiedenen Magnetfeldparametern auf die Lebensdauer einer Scheibe zu studieren.
Abstract
(Englisch)
The study of protoplanetary disks surrounding young stars can provide insights into the formation of our own solar system. Young stars possess very strong magnetic fields, thereby interacting with their surrounding disk and therefore strongly influencing the accreting behavior of such disks. In the first part of this thesis, we study the long-term behavior of disks in the case of a stellar magnetic dipole field interacting with the disk. We use an implicit time integration scheme called TAPIR (The Adaptive Implicit RHD Code) to be able to simulate the innermost disk regions over the whole disk lifetime. The disk is self-consistently simulated and magnetically truncated at the inner disk boundary. Long-term simulations have shown that the inner disk should indeed be simulated hydrodynamically, as magnetic torques and pressure gradients are important for the evolution of the inner disk. Additionally, our studies show that the strength of the stellar magnetic dipole field can influence both the appearance and frequency of episodic accretion events. Not only the stellar field, but also large-scale magnetic fields threading the disk, play an important role in the evolution of protoplanetary disks. The topology of large-scale magnetic fields is crucial for launching both magnetocentrifugally and magneto-thermally accelerated winds from the disk. In the second part of this thesis, we have therefore expanded TAPIR by adding a description of the large-scale magnetic fields and non-ideal MHD diffusion effects. Our analysis reveals that a stellar field dominates the large-scale field in the inner disk region, while in the outer disk the large-scale field dominates. Furthermore, a parameter study has shown that stellar parameters, such as the rotation period, the magnetic field strength, and the X-ray flux, can influence the topology of the large-scale magnetic field throughout in the disk. Future work will also include magnetically induced winds, allowing us to self-consistently simulate the coupled system of star, disk, and disk winds over the whole disk lifetime. This will enable better modeling of the star-disk connection and allow us to study how magnetic field parameters influence the lifetime of protoplanetary disks.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Protoplanetare Scheiben Akkretionsscheiben Sternentstehung Magnetohydrodynamik Magnetfelder
Schlagwörter
(Englisch)
protoplanetary disks accretion disks stellar formation magnetohydrodynamics magnetic fields
Autor*innen
Daniel Steiner 
Haupttitel (Englisch)
Large-scale magnetic fields in protoplanetary disks
Publikationsjahr
2025
Umfangsangabe
185 Seiten in verschiedenen Seitenzählungen : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Mario Flock ,
Eric Gaidos
Klassifikationen
39 Astronomie > 39.22 Astrophysik ,
39 Astronomie > 39.50 Sonnensystem. Allgemeines
AC Nummer
AC17751424
Utheses ID
78329
Studienkennzahl
UA | 796 | 605 | 413 |