The Early Evolution of Solids in Protoplanetary Disks [Elektronische Ressource] : Observational Constraints from Millimeter Interferometry / Luca Ricci. Betreuer: Andreas Burkert

Luca Ricci

Sujets

• Astronomie

Informations

• Publié par: ludwig-maximilians-universitat_munchen
• Publié le: 01 janvier 2011
• Nombre de lectures: 23
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 6 Mo

Extrait

The Early Evolution of Solids
in Protoplanetary Disks:
Observational Constraints
from Millimeter Interferometry
Luca Ricci
Munchen 2011The Early Evolution of Solids
in Protoplanetary Disks:
Observational Constraints
from Millimeter Interferometry
Luca Ricci
Dissertation
an der Fakult at fur Physik
der Ludwig{Maximilians{Universit at
Munc hen
vorgelegt von
Luca Ricci
geboren am 17/12/1983 in Ravenna, Italien
Munc hen, den 11 August 2011Erstgutachter: Prof. Dr. Andreas Burkert
Zweitgutachter: Prof. Dr. Jochen Weller
Tag der mundlic hen Prufung: September 29, 2011Contents
Abstract xv
Zusammenfassung xvi
1 Introduction 1
1.1 The cradles of planets: young circumstellar disks . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2 The \bottom-up" scenario: core accretion . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.3 The \top-down" scenario: disk instability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.4 The early stages of planet formation and the role of this Thesis . . . . . . 9
2 Modelling the emission of protoplanetary disks 15
2.1 The disk continuum emission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.1.1 The disk surface density . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2 The dust model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.2.1 The dust opacity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3 Dust properties of protoplanetary disks in Taurus-Auriga 25
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.2 New 3mm observations and sample properties . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.2.1 New PdBI observations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.2.2 Sample . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.2.3 Stellar properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.2.4 Mass accretion rates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.2.5 Disks sub-mm and mm data from the literature . . . . . . . . . . . 33
3.3 Disk models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.3.1 Dust opacity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.4 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.4.1 Spectral slopes and dust opacity index . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.4.2 Grain growth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.4.3 Dust mass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50vi CONTENTS
3.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4 Dust grain growth in -Ophiuchi protoplanetary disks 57
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.2 New ATCA observations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.3 Sample . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.3.1 Selection criteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.3.2 Completeness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.3.3 Stellar properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.4 Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4.4.1 Disk structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4.4.2 Dust opacity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
4.4.3 Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.5 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.5.1 Grain growth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
4.5.2 Disk mass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
5 The (sub-)mm SED of disks in the Orion Nebula Cluster 79
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
5.2 Observations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
5.3 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
5.3.1 Grain Growth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
5.3.2 The case of 216-0939 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
5.3.3 Derived disk masses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
5.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
6 The mm-colors of a young binary disk system in Orion 91
6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
6.2 Observations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
6.2.1 EVLA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
6.2.2 X-Shooter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
6.3 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
6.4 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
6.4.1 Comparison of grain growth in the two disks . . . . . . . . . . . . . 96
6.4.2 Testing the models of dust evolution . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
7 The e ect of local optically thick regions in the long-wave emission of
young circumstellar disks 101
7.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
7.2 Sample . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
7.3 Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
7.3.1 Disk structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103Contents vii
7.3.2 Dust opacity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
7.4 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
7.4.1 Case of a constant f: the F - diagram . . . . . . . . . . . 1061mm 1 3mm
7.4.2 Case of a ct f: requested masses in optically thick regions . . 107
7.4.3 Case of f(r) as a step function: the F - diagram . . . . . 1091mm 1 3mm
7.4.4 Case of f(r) as a step requested overdensities . . . . . . . 111
7.5 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
8 Testing the theory of grain growth and fragmentation by millimeter ob-
servations of protoplanetary disks 117
8.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
8.2 Model description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
8.2.1 Disk model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
8.2.2 Dust model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
8.2.3 Comparison to observations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
8.3 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
8.3.1 Sub-mm uxes and spectral indices . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
8.3.2 Radial pro les of the dust opacity index . . . . . . . . . . . . . . . 123
8.4 Discussion and Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
9 Trapping dust particles in the outer regions of protoplanetary disks 127
9.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
9.2 Dust Evolution Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
9.3 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
9.3.1 Density distribution of dust particles . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
9.3.2 Comparison to current observations . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
9.3.3 Future observations with ALMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
9.4 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
10 Conclusions 147viii ContentsList of Figures
1.1 Classi cation scheme of YSOs and its evolutionary interpretation. . . . . . 4
1.2 Image composition for ve Orion proplyds observed under the HST Treasury
Program on the Orion Nebula Cluster. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3 Scaling the size ladder from dust to planets. . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.4 Density map of a self-gravitating disk forming clumps through fragmentation. 9
2.1 Collection of disks imaged with CARMA at 1.3 mm. . . . . . . . . . . . . 19
2.2 Surface density radial pro le constrained for disks in Ophiuchus through
SMA observations at 0.88 mm. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.1 Histograms of sub-mm uxes and stellar properties of the selected sample
in Taurus. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.2 H-R diagram of the PMS stars in our Taurus sample. . . . . . . . . . . . . 34
3.3 Millimeter dust opacity for the adopted dust model. . . . . . . . . . . . . . 41
3.4 Fits of the sub-mm/mm SEDs of the Taurus disks with the two-layer ared
disk models. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.5 Spectral index between 1 and 3 mm vs ux at 1 mm from the model best
ts for the Taurus disks. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.6 Distribution of the dust opacity spectral index for the Taurus disks. . . . 47
3.7 Beta vs age plot for the Taurus sample. . . . . . .