Jumps and Pirouettes - a Dance of Disks and Planets

Abstract

Protoplanetare Scheiben sind die Geburtsstätte von Planeten. Bevor diese Gasscheiben von der Strahlung ihres Zentralsterns zerstreut werden, interagieren sie mit den Planeten, die aus ihnen entstehen. Diese Interaktion führt zu einer Veränderung der Planetenorbits, und falls die Planetenmassen hoch genug sind, führt sie zu einer Formung der Scheibe selbst. Eine Untergruppe der protoplanetaren Scheiben sind die Übergangsscheiben, welche in Beobachtungen im Zentrum ein Loch aufweisen und gleichzeitig Massenakkretion auf den Zentralstern erlauben. Während die Übergangsscheiben mit kleinen Löchern und geringen Akkretionsraten bereits durch Photoevaporation erklärt werden können, bleibt die Herkunft von denjenigen mit großen Löchern bis zu einigen zehn astronomischen Einheiten und hohen Akkretionsraten unklar.

In dieser Doktorarbeit erkläre ich anhand von zweidimensionalen Strömungsdynamiksimulationen, wie ein nach außen migrierendes Planetenpaar die Übergangsscheiben mit großen Löchern und hohen Akkretionsraten erklären kann. Außerdem beschreibe ich ein neu entdecktes Phänomen im Bereich der PlanetScheiben Wechselwirkung. In dem Prozess, den ich Migrationssprung nenne, migriert ein Planetenpaar in Resonanz nach außen, wodurch die Exzentrizitäten der Planeten erhöht werden und ein Wirbel in der äußeren Scheibe entsteht. Durch die Interaktion mit dem Wirbel beginnt der äußere Planet eine Phase von beschleunigter, nach außen gerichteter Migration, während welcher er mehrere zehn astronomische Einheiten in nur wenigen Tausend Jahren zurücklegen kann, bevor er wieder rasch in die ursprüngliche Konfiguration mit dem inneren Planeten zurückkehrt.

Inspiriert durch die prominente Rolle des Wirbels in den Migrationssprüngen untersuchte ich die Eigenschaften von großen Wirbeln, die von Planeten erzeugt werden, und deren Abhängigkeit von der thermischen Relaxationszeit und der Viskosität der Scheibe. Zur Detektion und Analyse von Wirbeln in Simulationsdaten entwickelte ich ein neues Vorgehen basierend auf Bilderkennungsalgorithmen. Die Wirbel leben am längsten in Scheiben mit geringer Viskosität und kurzer thermischer Relaxationszeit und leben am kürzesten in Scheiben mit einer thermischen Relaxationszeit, die mit der Umlaufperiode des Planeten vergleichbar ist.

Protoplanetary disks are the birthplace of planets. Before these gaseous disks are dispersed by the radiation from their host star they interact with the planets that form out of them. This interaction causes the planets to change their orbits and the disk to be sculpted by the planets if these are sufficiently massive. Transition disks constitute a subset of the protoplanetary disks that feature an inner hole while mass accretion onto the star is ongoing. While transition disks with small inner holes and low accretion rates have already been explained by photoevaporation, the origin of transition disks with large inner holes up to tens of astronomical units wide and high mass accretion rates remains unclear. In this thesis, I explain, using two-dimensional fluid dynamics simulations, how an outward migrating pair of planets can reproduce the characteristics of transition disks with large holes and high accretion rates. In addition, I describe a newly-found phenomenon in the realm of planet–disk interaction. During the process which I call a migration jump, a pair of giant planets resonantly migrates outward which excites the eccentricity of the planets and creates a vortex in the outer disk. Through interaction with the vortex, the outer planet enters an accelerated phase of outward migration allowing it to cover tens of astronomical units in only a few thousand years, before it quickly migrates back into the initial configuration with the inner planet. Sparked by the prominence of the vortex in the migration jump, I studied the properties of planet-induced large-scale vortices in protoplanetary disks and their dependence on the thermal relaxation timescale and the level of viscosity of the disk. For the detection and analysis of vortices in simulation data, I developed a novel detection pipeline based on computer vision algorithms. The vortices tend to live longest in disks with low viscosity and short thermal relaxation timescale and live shortest in disks with thermal relaxation timescales comparable to the orbital period.