The evolution of gas and dust in protoplanetary accretion disks [Elektronische Ressource] / put forward by Tilman Birnstiel

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Dissertationsubmitted to theCombined Faculties for the Natural Sciences and forMathematicsof the Ruperto-Carola University of Heidelberg,Germanyfor the degree ofDoctor of Natural SciencesPut forward byM.Sc. Tilman BirnstielBorn in Miltenberg am MainDate of oral examination 18.10.2010The Evolution of Gas and Dust in ProtoplanetaryAccretion DisksReferees: Prof. Dr. Cornelis P. DullemondProf. Dr. Ralf S. KlessenZusammenfassungObwohl Staub nur etwa ein Prozent der Masse einer protoplanetaren Scheibe aus-macht, ist er doch ein wichtiger Bestandteil von chemischen Modellen, Modellenzur Planetenentstehung oder in der Modellierung von Strahlungstransport undBeobachtungen. Der anf angliche Wachstumsprozess von sub- m gro en Staub-partikeln bis hin zu Planetesimalen, sowie der radiale Transport von Staub in denGasscheiben um junge Sterne ist das Thema dieser Arbeit. Radiale Drift, Sedi-mentation, turbulenter Transport sowie Koagulation, Fragmentation und Erosionbestimmen die zeitliche Entwicklung von zirkumstellarem Staub.Wir gehen dieses Problem von drei verschiedenen Richtungen an: analytischeBerechnungen, numerische Simulationen und Vergleich zu Beobachtungen. Wirbeschreiben die physikalischen und numerischen Konzepte, mit denen unser Mod-ell die Entwicklung des Staubes ub er Millionen von Jahren in einer zeitabh angi-gen, viskosen Gasscheibe simuliert.
Publié le : vendredi 1 janvier 2010
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Dissertation
submitted to the
Combined Faculties for the Natural Sciences and for
Mathematics
of the Ruperto-Carola University of Heidelberg,
Germany
for the degree of
Doctor of Natural Sciences
Put forward by
M.Sc. Tilman Birnstiel
Born in Miltenberg am Main
Date of oral examination 18.10.2010The Evolution of Gas and Dust in Protoplanetary
Accretion Disks
Referees: Prof. Dr. Cornelis P. Dullemond
Prof. Dr. Ralf S. KlessenZusammenfassung
Obwohl Staub nur etwa ein Prozent der Masse einer protoplanetaren Scheibe aus-
macht, ist er doch ein wichtiger Bestandteil von chemischen Modellen, Modellen
zur Planetenentstehung oder in der Modellierung von Strahlungstransport und
Beobachtungen. Der anf angliche Wachstumsprozess von sub- m gro en Staub-
partikeln bis hin zu Planetesimalen, sowie der radiale Transport von Staub in den
Gasscheiben um junge Sterne ist das Thema dieser Arbeit. Radiale Drift, Sedi-
mentation, turbulenter Transport sowie Koagulation, Fragmentation und Erosion
bestimmen die zeitliche Entwicklung von zirkumstellarem Staub.
Wir gehen dieses Problem von drei verschiedenen Richtungen an: analytische
Berechnungen, numerische Simulationen und Vergleich zu Beobachtungen. Wir
beschreiben die physikalischen und numerischen Konzepte, mit denen unser Mod-
ell die Entwicklung des Staubes ub er Millionen von Jahren in einer zeitabh angi-
gen, viskosen Gasscheibe simuliert. Wir vergleichen die simulierten Staubgr o en-
verteilungen mit unseren analytischen Vorhersagen und leiten daraus ein ein-
faches Rezept zur Bestimmung von station aren Gr o enverteilungen ab. Mit dem
vorgestellten Modell ist es uns m oglich zu zeigen, dass Fragmentation erkl aren
kann, warum zirkumstellare Scheiben fur mehrere Millionen Jahre reich an Staub
sein k onnen. Des Weiteren befassen wir uns mit dem Problem, vor das uns
Beobachtungen stellen, n amlich dass Staubpartikel von der Gr o e einiger Millime-
ter in gro en Abst anden von ihrem Zentralstern nachgewiesen wurden. Unter der
Annahme, dass radiale Drift ine ektiv ist, k onnen wir einige beobachtete spektrale
Indices und Flusse im mm-Wellenl angenbereich reproduzieren. Lichtschw achere
Quellen deuten darauf hin, dass das Staub-zu-Gas Verh altnis oder die Opazit aten
geringer sind als weithin angenommen.Abstract
Dust constitutes only about one percent of the mass of circumstellar disks, yet
it is of crucial importance for the modeling of planet formation, disk chemistry,
radiative transfer and observations. The initial growth of dust from sub-m sized
grains to planetesimals and also the radial transport of dust in disks around young
stars is the topic of this thesis. Circumstellar dust is subject to radial drift, vertical
settling, turbulent mixing, collisional growth, fragmentation and erosion.
We approach this subject from three directions: analytical calculations, nu-
merical simulations, and comparison to observations. We describe the physical
and numerical concepts that go into a model which is able to simulate the radial
and size evolution of dust in a gas disk which is viscously evolving over several
million years. The resulting dust size distributions are compared to our analytical
predictions and a simple recipe for obtaining steady-state dust size distributions is
derived. With the numerical model at hand, we show that grain fragmentation can
explain the fact that circumstellar disks are observed to be dust-rich for several
million years. Finally, we investigate the challenges that observations present to
the theory of grain evolution, namely that grains of millimeter sizes are observed
at large distances from the star. We have found that under the assumption that
radial drift is ine ective, we can reproduce some of the observed spectral indices
and uxes. Fainter objects point towards a reduced dust-to-gas ratio or lower dust
opacities.The light dove, cleaving in free ight the thin air,
whose resistance it feels, might imagine, that her
movements would be far more free and rapid in
airless space.
Critique of pure reason (1787), Introduction, III.
{ Immanuel Kant

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