AL-Maothani, Anas Salman Taha (2019). Mid-Infrared Imaging of Two Circumstellar Disks: the cases of HD 179218 and Epsilon Eridani. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Recently, large ground-based telescopes and the new generation of astronomical instrumentation have allowed us to examine the environments of young stellar objects with high angular resolution. Mid-infrared (MIR) (7.5 - 25 micron) detectors mounted on 10 m class telescopes have been used extensively to study the properties of protoplanetary and debris disks through their thermal emission that comes from the dust. These instruments can achieve sub-arcsec resolution with a suitable field-of-view for investigating the disk structures on different scales from few to tens of astronomical units (AU). Such observations are used to study the evolution of the circumstellar disk, confirm the presence of gaps in the protoplanetary disks, and investigate the evolutionary connection between flared and flat disks. Moreover, they can provide us with more details about the geometry of the disk, dust properties, and how planets form. These observations can also be used to analyze the debris disk around main sequence stars and trace the origin of the dust emission to clarify the relation between the dust emission and planets in debris disks. There are two main projects in this dissertation: First project: The main goal of this project is to investigate in the MIR the properties of the Polycyclic Aromatic Hydrocarbons (PAH) emission and the physical structure of the disk of the Herbig star HD 179218. I used MIR images in the PAH1(8.6 μm), PAH2(11.3 μm), and Si6(12.5 μm) filters, and N-band low-resolution spectra of HD 179218, using the CanariCam instrument on the 10.4 m Grand Telescopio Canarias (GTC). The FWHM of the images was measured in each of the three filters. Good observing conditions led to very stable measurements during the observation with average FWHM values of 0.232 00 , 0.280 00 , and 0.293 00 in filters PAH1, PAH2, and Si6, respectively. The data show that the disk emission is spatially resolved in the both PAH filters, while unresolved in the Si6 filter. I have extracted a lower limit for the angular diameter of the emission in the PAH band of ∼ 100 mas, (or 40 AU) by applying a quadratic subtraction of the PSF for the science and calibrator. The photometric measurements are consistent with published flux densities and without noticeable variability in the uncertainty. Besides that, the low-resolution spectrum result is comparable with the shape of the previous result using Spitzer and ISO space telescopes, except in the region ofthe Earth ozone band. Additionally, I built a 3-D radiative transfer model of the continuum emission of the protoplanetary disk using the code RADMC3D. The model is based on a disk with a gap to fit the observational spectral energy distribution and the radial brightness profile of HD 179218 at 12.5 μm. The physical properties such as the mass, size and chemical composition of the pre-transitional disk were derived from the model. This is the first time that HD 179218 is observed in the PAH filter and is spatially resolved. Finally, I discuss the origin of the PAH emission in the protoplanetary disk of HD 179218 by comparing the images and spectroscopic data with IRS 48 and HD 97048. The most likely explanation is that the PAH emission originates in the outer radius of the flared disk surface, and is mostly in an ionized charged state due to the strong UV radiation of the centralstar (180 L�). Second project: The main purpose of this project is to investigate the origin of the warm dust in the debris disk and of the exozodiacal dust around the main-sequence star Epsilon Eridani. High-resolution direct imaging in the Q-band using GTC / CanariCam instrument was performed to enhance the star-to-disk distinction and obtain diffraction limited bservations, we select the Q4 filter (20.5 μm). The MIR images of Epsilon Eridani were compared with a calibration star (Gamma Eridani). Due to poor seeing condition (> 1 00 ) the FWHM is very unstable.Consequently, more than half of the FWHM measurements of the science star were less than the diffraction limit of the telescope in the Q4 filter. Therefore, I used different techniques to examine the quality of good frames. The first technique is to compare the FWHM of each saveset of the calibration star and science star to the 1σ, 2σ, and 3σ levels. The result of this technique shows that the extended emission around Epsilon Eridani measures 200 mas with 3σ uncertainty. The second technique is to compare the FWHM measurements of each nodset (instead of the saveset) for the science star with a limit of 1σ, which shows a resolved disk emission with a diameter of 120 mas with 3σ uncertainty. Then, I used a visual selection technique to separate the good and bad nodsets to avoid electing elongated point-spread function with this technique and other two techniques are confirmed the results of found extend emission around Epsilon Eridani. The extended emission is estimated to be ∼ 180 mas with 3σ uncertainty. A temperature gradient model has been built to create a synthetic image of Epsilon Eridani, convolve it with the calibration image and then fit it with a radial brightness profile of the science image. Photometric calculations were performed and I obtain a flux value comparable to literature value in the Q4 filter of ∼ 2.5 Jy. The observational result suggests that the radial position of the dust is comparable with the planetary orbit and that the dust distribution is significantly shaped by the interaction with the planet.

Item Type: Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:
AbstractLanguage
Seit Kurzem erlauben uns große erdgebundene Teleskope und die neue Generation von astronomischen Instrumenten die Umgebung von jungen Sternen mit hoher räumlicher Auflösung zu untersuchen. Detektoren im mittleren Infrarot (MIR) (7.5 -25 Mikrometer) an Teleskopen mit Spiegeldurchmessern in der Größenordnung von 10m wurden ausgiebig genutzt, um die Eigenschaften protoplanetarer und Trümmer-scheiben durch ihre vom Staub erzeugte thermische Emission zu untersuchen. Diese Instrumente können die benötigten Auflösungen unter einer Bogensekunde mit einem ausreichenden Gesichtsfeld erreichen, um die Scheibenstrukturen auf unterschiedlichen Skalen von wenigen bis zu einigen zehn astronomischen Einheiten (AE)zu untersuchen. Solche Beobachtungen werden benutzt, um die Entwicklung der zirkumstellaren Scheiben zu untersuchen, die Existenz von Lücken in protoplanetaren Scheiben um Herbig Sterne zu bestätigen und den evolutionären Zusammenhang zwischen flachen und sich aufgeweiteten Scheiben zu studieren. Darüber hinaus können sie uns mit mehr Details über die Geometrie der Scheibe, Staubeigenschaften und die Entstehung von Planeten versorgen. Auch können diese Beobachtungen dazu verwendet werden, die Trümmerscheiben um Hauptreihensterne zu analysieren und den Ursprung der Staube-mission in Trümmerscheiben zu lokalisieren, um die Beziehung zwischen dieser Emission und Planeten zu klären. Diese Dissertation besteht aus den folgenden zwei Teilbereichen: Erstes Projekt: Das Hauptziel dieses Projektes ist es, die Eigenschaften der Polycyclic Aromatic Hydrocarbons (PAH) Emission und die physikalische Struktur der Scheibe um den Herbig Stern HD 179218 zu untersuchen. Ich habe hierzu MIR Bilder im PAH1(8.6 μm), PAH2(11.3 μm), and Si6(12.5 μm) Filter sowie niedrig aufgelöste spektroskopische Daten im N-Band von HD 179218 benutzt, die mit dem CanariCam Instrument am 10.4 m grossen Gran Telescopio Canarias (GTC) aufgenommen worden sind. Die FWHM der Bilder wurde in jedem der drei Filter gemessen. Durch gute Beobachtungsbedingungen während der Datennahme konnten stabile Messungen mit durchschnittlichen FWHM Werten von 0.232 00 , 0.280 00 , und 0.93 00 in den PAH1, PAH2 beziehungsweise Si6 Filtern erhalten werden. Diese Daten zeigen, dass die Emission der Scheibe in den PAH Filtern räumlich aufgelöst ist, während sie im Si6 Filter nicht aufgelöst werden konnte. Ich habe ein unteres Limit für den Durchmesser der Emission im Si6 Band von 100 mas (oder 40 AE) berechnet indem ich eine quadratische Subtraktion der PSF für das Objekt und den Kalibrator durchgeführt habe. Die photometrischen Messungen sind mit bereits veröffentlichten Flussdichten auch ohne große Variabilität bei den Unsicherheiten konsistent. Darüber hinaus ist die Form des Spektrums mit niedriger Auflösung, außer in dem Bereich des Ozonbandes der Erde, vergleichbar mit den vorheriger Beobachtungen der Spitzer und ISO Weltraumte- leskope. Zusätzlich habe ich ein 3D Strahlungstransportmodell der Kontinuumsemission der protoplanetaren Scheibe mit Hilfe des Codes RADMC3D erstellt. Das Modell basiert auf einer Scheibe mit einer Lücke, um die spektrale Energieverteilung und das radiale Helligkeitsprofil von HD 179218 bei 12.5 Mikrometern zu reproduzieren. Die physikalischen Eigenschaften wie Masse, Größe und chemische Zusammensetzung der Vor-Übergangsscheibe wurden aus diesem Modell erhalten. Dies ist das erste Mal dass HD 179218 in einem PAH Filter beobachtet und räumlich aufgelöst wurde. Schließlich diskutiere ich den Ursprung der PAH Emission in der protoplanetaren Scheibe von HD 179218, indem ich die Bilder und spektroskopischen Daten mit IRS 48 und HD 97048 vergleiche. Die wahrscheinlichste Erklärung ist, dass die PAH Emission aus einem äußeren Radius der aufgeweiteten Scheibe stammt, welches sich aufgrund der starken UV-Strahlung des Zentralsterns (180 L�) zumeist in einem ion- isierten Zustand befindet. Zweites Projekt: Der Hauptzweck dieses Projekts is die Untersuchung des warmen Staubs in der Trümmerscheibe und dem exozdiokalen Staub um den Hauptreihenstern Epsilon Erdiani. Hochauflösende Bilder im Q-Band wurden mit dem GTC/CanariCam aufgenommen. Um die Unterscheidung zwischen Stern und Scheibe zu verstärken und Beugungs-limitierte Beobachtungen zu erhalten haben wir den Q4 Filter (20.5 Mikrometer) gewählt. Die MIR Bilder von Epsilon Eridani wurden mit einem Kalibratorstern (Gamma Eridani) verglichen. Wegen schlechter Seeing Bedingungen (> 1 00 ) ist die FWHM sehr unsicher. Daraus folgend sind mehr als die Hälfte der FWHM Messungen des Sterns unterhalb des Beugungslimits des Teleskops im Q4 Filter. Ich habe daher verschiedene Techniken benutzt um die Qualität der Frames zu begutachten. Die erste Technik ist der Vergleich der FWHM jedes Savesets” des Kalibrationssternsmit den 1σ, 2σ, und 3σ Leveln. Das Resultat dieser Technik ist, dass die auseinan dergezogene Emission um Epsilon Erdiani eine Größe von 200 mas innerhalb einer 3σ Unsicherheit besitzt. Anschließend habe ich eine visuelle Selektionstechnik verwendet, um gute und schlechte “Nodsets” zu unterscheiden und damit die Auswahl elongierter Punktspreizfunktion (PSF) zu vermeiden. Mit dieser Technik bestätigen sich die mit den anderen Techniken erzielten Resultate: die ausgedehnte Emission der Trümmerscheibe von Epsilon Erdiani ist mit ∼ 180 mas mit einer Unsicherheit von 3σ berechnet. Ein Temperaturgradientenmodell wurde kreirt, um ein synthetisches Bild von Epsilon Erdiani zu erzeugen, es mit dem Kalibrationsbild zu falten und es schließlich mit dem radialen Helligkeitsprofil des wissenschaftlichen Bildes zu vergleichen. Nach der Durchfhrung photometrischer Berechnungen erhilte ich einen Flusswert von 2.5 Jy im Q4 Filter, welcher mit Literaturwerten vergleichbar ist. Die Resultate der Beobachtungen lassen vermuten, dass die radiale Position des Staubs vergleichbar mit dem Planetenorbit ist und dass die Staubverteilung durch die Interaktion mit dem Planeten entscheidend beeinflusst wird.German
Creators:
CreatorsEmailORCID
AL-Maothani, Anas Salman Tahamaotahni@ph1.uni-koeln.deUNSPECIFIED
URN: urn:nbn:de:hbz:38-92016
Subjects: Natural sciences and mathematics
Physics
Uncontrolled Keywords:
KeywordsLanguage
MID-IR observations, protoplanetary disk, Polycyclic Aromatic Hydrocarbons emission, HD 179218English
Faculty: Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions: Faculty of Mathematics and Natural Sciences > I. Physikalisches Institut
Language: English
Date: 4 January 2019
Date of oral exam: 17 January 2018
Referee:
NameAcademic Title
Labadie, LucasProf. Dr.
Eckart, AndreasProf. Dr.
Funders: Iraqi Ministry of Higher Education and Sci- entific Research (MoHERS), University of Baghad - College of Science, Bonn-Cologne Grad- uate School (BCGS) for Physics and Astronomy.
Refereed: Yes
URI: http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/9201

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