Multiwellenlängen-Polarisationsstudie für die protoplanetare Scheibe um das junge stellare Objekt HL Tauri

Abstract

In diesem Projekt wurde das Potential von Beobachtungen der polarisierten Kontinuumsstrahlung im ferninfraroten Wellenlängenbereich zur Analyse des Magnetfeldes in protoplanetaren Scheiben am Beispiel des sehr gut untersuchten jungen stellaren Objektes HL Tauri bewertet. Gleichzeitig ließen diese Untersuchungen Aussagen zu den Eigenschaften des Staubes in dieser Scheibe zu. Kern des Projekts waren Beobachtungsdaten von SOFIA/HAWC+, welche die ersten polarimetrischen Aufnahmen einer zirkumstellaren Scheibe im Ferninfrarot darstellen. Das Projekt basierte auf Beobachtungsdaten, welche mit der "High-resolution Airborne Wide-band Camera" (HAWC+) an Bord des "Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy" (SOFIA) gewonnen wurden. Dies betrifft sowohl die vorliegenden Fluss- als auch Polarisationsmessung bei Wellenlängen von 53μm bis 216μm. Es wurde ein Modell gefunden, welches die Polarisationskarten bei den Wellenlängen von 53μm bis 155μm und die Änderung der Ausrichtung der Polarisationsvektoren bei einer Wellenlänge von 216 μm zu reproduzieren erlaubt. Die Ursache für die Polarisation bei den kürzeren Wellenlängen ist die thermische Emission von ausgerichteten nicht-sphärischen Teilchen, während bei der längsten betrachteten Wellenlänge die Polarisation durch Selbststreuung von vermutlich bis zu 35μm großen Staubkörnern verursacht wird. Zudem lässt das gefundene Modell auch eine Übereinstimmung mit photometrischen Messungen der spektralen Energieverteilung von HL Tauri über ein breites Spektrum vom optischen Wellenlängenbereich bis hin zu Millimeterwellen zu. Motiviert von der Frage nach der Eindeutigkeit der Analyse der Polarisationsmessungen zu HL Tauri wurden nachfolgend die Auswirkungen der mechanischen Staubkornausrichtung in protoplanetaren Scheiben auf den beobachteten Polarisationsgrad und die Ausrichtung der linearen Polarisation bei Millimeterwellenlängen untersucht. Es wurde gefunden, dass falls hydrodynamische Instabilitäten die Kinematik in protoplanetaren Scheiben dominieren, die mechanische Ausrichtung ein vielversprechender Mechanismus für die Staubkornausrichtung ist. In diesem Fall erlauben es Polarisationsmessungen im Millimeter-Wellenlängenbereich die resultierende Orientierung von millimetergroßen Staubkörnern zu rekonstruieren. In this project, the potential of observations of polarized continuum radiation in the far-infrared wavelength range for the analysis of the magnetic field in protoplanetary disks was evaluated using the example of the very well-studied young stellar object HL Tauri. At the same time, these investigations allowed conclusions to be drawn about the properties of the dust in this disk. The core of the project was observation data from SOFIA HAWC+, which represent the first polarimetric images of a circumstellar disk in the far-infrared. The project was based on data obtained with the “High-resolution Airborne Wide-band Camera” (HAWC+) on board the “Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy” (SOFIA). This concerns both the flux and polarization measurements at wavelengths from 53μm to 216μm. A model was found, which describes the polarization maps at wavelengths from 53μm to 155μm and the change in the orientation of the polarization vectors at a wavelength of 216 μm. The cause of the polarization at the shorter wavelengths is the thermal emission of aligned non-spherical particles, while at the longest wavelength the polarization is caused by self-scattering of dust grains presumably up to 35μm in size. In addition, the model found also allows agreement with photometric measurements of the spectral energy distribution of HL Tauri over a broad spectrum from the optical wavelength range up to millimeter waves. Motivated by the question of the uniqueness of the analysis of the polarization measurements on HL Tauri, the effects of mechanical dust grain alignment in protoplanetary disks on the observed degree of polarization and the alignment of the linear polarization at millimeter wavelengths were subsequently investigated. It was found that if hydrodynamic instabilities dominate the kinematics in protoplanetary disks, mechanical alignment is a promising mechanism for dust grain alignment. In this case, polarization measurements in the millimeter wavelength range allow us to reconstruct the resulting orientation of millimeter-sized dust grains.