Star-Disc Encounters in Young Star Clusters: Environmental Effects on the Evolution of Protoplanetary Discs

Olczak, Christoph (2009). Star-Disc Encounters in Young Star Clusters: Environmental Effects on the Evolution of Protoplanetary Discs. PhD thesis, Universität zu Köln. Open Access

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Abstract

According to current knowledge, star formation occurs preferentially in clustered environments. As a byproduct of the star formation process young stars are found to be surrounded by accretion discs that are potential birth places of planets and planetary systems. Located in the hosting cluster, these protoplanetary discs are potentially subject to stellar interactions. These interactions give rise to a fundamental question of clustered star formation: How far does the cluster environment affect the evolution of protoplanetary discs and the formation of planets? The question is addressed in the present investigation in terms of the effect of stellar encounters on stars and their disc in young clusters by combining numerical simulations of isolated star-disc encounters and stellar dynamics of young star clusters. The investigation is composed of three key aspects. First, simulations of a dynamical model of the Orion Nebula Cluster (ONC) show that disc destruction is dominated by encounters with high-mass stars that act as gravitational foci for the lower mass stars in the cluster centre. The massive stars are thus subject to repeated encounters which can lead to a total disc destruction. This happens much more quickly and to a larger degree than for intermediate-mass stars. Secondly, the question whether there are any observables that could trace the mechanism of encounter-induced disc-mass loss, is addressed. From numerical simulations it is found that some stars show unexpectedly high velocities as an outcome of close interactions, combined with a completely destroyed disc. Observations of the ONC confirm the presence of these high-velocity stars, which are young low-mass stars that partially lack infrared excess emission. The high-velocity stars form a characteristic pattern that is explained by the numerical simulations, finding a strong correlation between initial location in the cluster and disc destruction dynamics. Third, the influence of the cluster properties on the encounter-induced disc-mass loss is investigated by scaling the size, density and stellar number of the basic dynamical model of the ONC. Not unexpectedly, it is found that the disc-mass loss increases with cluster density but remains rather unaffected by the size of the stellar population revealing that even in clusters four times sparser than the ONC the effect of encounters is still non-negligible. The density of the ONC itself marks a threshold: in less dense and less massive clusters it is the massive stars that dominate the encounter-induced disc-mass loss whereas in denser and more massive clusters the low- and intermediate-mass stars play the major role for the removal of disc mass.

Item Type:

Thesis (PhD thesis)

Translated title:

Title	Language
Stern-Scheibe Wechselwirkungen in jungen Sternhaufen: Umgebungseinflüsse auf die Entwicklung protoplanetarer Scheiben	German

Translated abstract:

Abstract

Language

Gemäß heutigem Kenntnisstand entstehen Sterne bevorzugt in Sternhaufen. Die Akkretionsscheiben, welche als Nebenprodukt des Sternentstehungsprozesses die jungen Sterne umgeben, stellen potentielle Geburtsstätten von Planeten und Planetensystemen dar. Eingebettet in einen Sternhaufen, unterliegen diese protoplanetaren Scheiben potentiell Wechselwirkungen mit Sternen. Diese Wechselwirkungen geben Anlass zu einer fundamentalen Frage der Sternentstehung in Sternhaufen: Inwieweit nimmt die Umgebung des Sternhaufens Einfluss auf die Entwicklung von protoplanetaren Scheiben und die Entstehung von Planeten? Diese Frage wird in der vorliegenden Arbeit im Hinblick auf den Effekt gravitativer Wechselwirkungen von Sternen und deren Scheiben in jungen Sternhaufen behandelt. Die Untersuchung erfolgt durch die Kombination numerischer Simulationen isolierter Vorbeiflüge von Sternen an Stern-Scheibe-Systemen und der Stellardynamik junger Sternhaufen. Die Untersuchung umfasst drei Schlüsselaspekte. Zum einen wird anhand von Simulationen eines dynamischen Modells des Sternhaufens im Orionnebel (ONC) gezeigt, dass die Zerstörung von Scheiben durch gravitative Wechselwirkungen mit massiven Sternen im Zentrum des Sternhaufens dominiert wird, welche als Gravitationszentren für Sterne geringer Masse dienen. Die massiven Sterne unterliegen somit wiederholten Wechselwirkungen welche zu einer kompletten Zerstörung der Scheibe führen können. Der Massenverlust der Scheibe erfolgt dabei schneller und weitreichender als dies für Sterne mittlerer Masse der Fall ist. Zweitens wird die Frage untersucht, ob Beobachtungsgrößen existieren, mit deren Hilfe der durch gravitative Wechselwirkungen entstehende Massenverlust in Scheiben aufgezeigt werden kann. Die numerischen Simulationen ergeben, dass einige Sterne unerwartet hohe Geschwindigkeiten und zugleich zerstörte Scheiben als Folge von starken Wechselwirkungen aufweisen. Ein Vergleich mit Beobachtungen des ONC bestätigt das Vorhandensein solcher Sterne hoher Geschwindigkeit. Es handelt sich um junge Sterne, welche teilweise keine erhöhte Emission im Infraroten aufweisen. Die Sterne hoher Geschwindigkeit bilden ein charakteristisches Muster, welches anhand der numerischen Simulationen, die eine Korrelation zwischen anfänglicher Lage und Scheibenzerstörung aufzeigen, geklärt wird. Ferner wird der Einfluss der Eigenschaften eines Sternhaufens auf den durch gravitative Wechselwirkungen bedingten Scheibenmassenverlust untersucht. Dies erfolgt durch Skalierung der Größe, Dichte und Anzahl der Sterne des dynamischen Ausgangsmodells des ONC. Wie erwartet zeigt sich, dass der Scheibenmassenverlust mit der Dichte des Sternhaufens zunimmt, jedoch von der Größe der Sternenpopulation unberührt bleibt. Allerdings ist die Auswirkung der gravitativen Wechselwirkungen selbst in vier mal dünneren Sternhaufen sichtbar. Die Dichte des ONC stellt dabei einen Schwellenwert dar: in dünneren und weniger massiven Sternhaufen dominieren die massiven Sterne den durch gravitative Wechselwirkungen bedingten Scheibenmassenverlust während in dichteren und massiveren Sternhaufen die Sterne geringer und mittlerer Masse die entscheidende Rolle bei der Reduzierung der Scheibenmasse spielen.

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