Resolving the inner circumstellar disks of T Tauri and Herbig Ae/Be stars with infrared interferometry

Abstract

Circumstellar disks around young stellar objects (YSO) are a fundamental element of star and planet formation. The inner disk regions of pre-main sequence stars are hot enough for dust sublimation and a rim between dust-free and dusty disk regions can form. This rim can influence the outer parts of the disk through shielding of stellar radiation and its radius can reveal hints to the structure of the very inner disk.<br /> The nearest star-forming regions, which harbor YSO, are too far away to allow direct imaging of the inner disk regions. Only recently, it became possible to resolve astronomical objects on spatial scales needed for the investigation of the inner disk regions. The technique used for these high-angular resolution observations is infrared interferometry, which combines the light from several telescopes to create interferograms. The facility used in the projects of this thesis is the Very Large Telescope Interferometer with the interferometric instruments AMBER and MIDI, which operate in the near- and mid-infrared (approximately 1.5 μm - 2.4 μm and 8 μm - 13 μm), respectively. With these instruments, it is possible to determine the radius and shape of the disk region emitting in the these wavelength regimes.<br /> The dust typically present in circumstellar disks evaporates at around 1500 K and hence, emits at near- and mid-infrared wavelengths, where it can be observed with AMBER and MIDI. To obtain the characteristic size of the observed emitting region, the interferometric data can be modeled with geometric ring models. The resulting disk radii are typically proportional to the stellar luminosity, but can deviate from this proportionality due to different physical effects determining the disk structure in addition to the stellar radiation. Taking into account as well the spectral energy distribution (SED) of the respective star-disk system, temperature-gradient models give an estimate of the disk properties like the inner radius of the dust disk, the radial temperature distribution, and the inclination of the disk.<br /> The projects presented in this thesis employ the described methods for studies of the inner disk regions of three different pre-main sequence stars: the T Tauri star S CrA N, the Herbig Ae star V1026 Sco, and the Herbig B[e] star HD85567. <br /> The near-infrared radii found for the circumstellar disks of the observed stars give a differentiated picture of the inner disk regions of pre-main sequence stars. The assumed proportionality between stellar luminosity and near-infrared radius reproduces the measurements generally only as an approximate value. The radii of T Tauri and high-mass stars are found to deviate significantly due to different effects influencing the dust sublimation, which are still not completely understood. In addition, the disk structures derived with temperature-gradient modeling contributed to understanding the complex inner disk structures of YSO.

<strong>Räumliche Auflösung der inneren zirkumstellaren Scheiben von T-Tauri- und Herbig-Ae/Be-Sternen mit Infrarot-Interferometrie</strong><br /> Die junge Sterne umgebenden zirkumstellaren Scheiben sind ein wesentliches Element der Stern- und Planetenentstehung. Bei Vorhauptreihensternen sind die inneren Bereiche dieser aus Staub und Gas bestehenden Scheiben so heiß, dass der Staub sublimiert. Es wird vermutet, dass sich hierdurch eine Kante zwischen dem staubfreien und dem staubhaltigen Bereich der Scheibe ausbildet. Diese Kante kann die äußeren Scheibenregionen beeinflussen, indem sie die vom Stern ausgehende Strahlung abschirmt. Der Kantenradius kann zudem Hinweise auf die Struktur des innersten Scheibenbereichs geben.<br /> Direkte Aufnahmen der inneren Scheibenbereiche sind aufgrund der weiten Entfernung der nächstgelegenen Sternentstehungsregionen, in denen sich junge Sterne befinden, sehr schwierig. Daher wird seit Kurzem die Technik der Infrarot-Interferometrie eingesetzt, um astronomische Objekte auf Skalen auflösen zu können, die für die Untersuchung von den inneren Scheibenregionen benötigt werden. Hierbei wird das Licht von mehreren Teleskopen überlagert um Interferogramme zu erzeugen. In den Projekten dieser Dissertation wird das "Very Large Telescope Interferometer" mit den interferometrischen Instrumenten AMBER und MIDI verwendet, welche im nahen und mittleren Infrarotbereich arbeiten (ungefähr 1,5 μm - 2,4 μm, bzw. 8 μm - 13 μm). Mit diesen Instrumenten ist es möglich den Radius und die Form der Regionen der Scheibe zu bestimmen, deren Strahlungsmaximum im jeweiligen Wellenlängenbereich liegt.<br /> Der Staub, der typischerweise in zirkumstellaren Scheiben vorhanden ist, sublimiert bei circa 1500 K und strahlt daher vor allem bei Wellenlängen des nahen und mittleren Infrarotbereichs, wo er mit AMBER und MIDI detektiert werden kann. Um die charakteristische Größe der beobachteten Emissionsregion zu erhalten, werden die interferometrischen Daten mit geometrischen Ringmodellen verglichen. Die daraus abgeleiteten Ringradien sind typischerweise proportional zur Leuchtkraft des Sterns, können aber von dieser Proportionalität abweichen, da verschiedene physikalische Effekte zusätzlich zur stellaren Strahlung die Scheibenstruktur beeinflussen. Modelliert man simultan die spektrale Energieverteilung (SED) des jeweiligen Stern-Scheibe-Systems, kann man mit Temperaturgradientenmodellen weitere Eigenschaften der Scheibe abschätzen, z.B. den inneren Radius der Staubscheibe, die radiale Temperaturverteilung und die relative Neigung der Scheibe.<br /> Die in dieser Dissertation vorgestellten Projekte setzen die beschriebenen Methoden ein um die inneren Scheibenregionen dreier verschiedener Vorhauptreihensterne zu erforschen: des T-Tauri-Sterns S CrA N, des Herbig-Ae-Sterns V1026 Sco und des Herbig-B[e]-Sterns HD85567.<br /> Die Nahinfrarotradien, die für die zirkumstellaren Scheiben der beobachteten Sterne gefunden wurden, liefern ein differenziertes Bild der inneren Scheibenregionen von Vorhauptreihensternen. Die angenommene Proportionalität zwischen der Leuchtkraft des Sterns und dem Nahinfrarotradius reproduziert die Messungen im Allgemeinen nur näherungsweise. Der Radius von T-Tauri-Sternen und massereichen Sternen weicht signifikant von der Vorhersage ab, was verschiedenen Effekten zugeschrieben werden kann, welche die Staubsublimation beeinflussen und immer noch nicht vollständig verstanden sind. Zusätzlich lieferten die mit Temperaturgradientenmodellierung abgeleiteten Scheibenstrukturen einen Beitrag zum Verständnis der komplexen inneren Scheibenstruktur von jungen Sternen.