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Very early stages of massive stars

Vasyunina, Tatiana

German Title: Die frühen Phasen der Entstehung massereicher Sterne

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Abstract

Es ist das Ziel dieser Doktorarbeit, die Anfangsbedingungen sowie die frühen Phasen der Entstehung massereicher Sterne mittels geeigneter Beobachtungsstudien zu untersuchen. Hierfür haben wir zwei Objektklassen ausgewählt: Infrarot{Dunkelwolken (IRDCs) sowie ein nachfolgendes Stadium, welches durch die Existenz eines noch jungen, eingebetteten (Proto)- Sternhaufens gekennzeichnet ist. Als ersten Schritt haben wir die Massen und Säulendichten für eine neue Stichprobe von südlichen IRDCs bestimmt unter Verwendung von eigenen Kontinuumsemissionskarten im Millimeter{Bereich sowie von Extinktionsdaten, basierend auf archivierten Infrarot{Karten des Spitzer{Satelliten. Die abgeleiteten Parameter zeigen, daß diese IRDCs potentielle Kandidaten für die Geburtsplätze massereicher Sterne sind und nicht unbedingt nur Sterne niedriger und mittlerer Masse produzieren werden. Insbesondere der Vergleich unserer Resultate mit schon bestehenden Daten für molekulare Kerne niedriger Masse ohne Sternentstehungsaktivität zeigt, daß IRDCs einen Trend zu systematisch höheren Säulendichten zeigen. Die interpolierten zentralen Höchstwerte für die Säulendichten überschreiten auch den kritischen Schwellenwert, der von einigen theoretischen Studien als entscheidend fuer die Entstehung massereicher Sterne angesehen wird. Desweiteren setzen wir uns kritisch mit den Limitierungen der angewandten Emissions- und Extinktionsmethoden auseinander. Zweitens haben wir die physikalischen Bedingungen sowie die chemische Zusammensetzung des mit den IRDCs assoziierten dichten Gases unter Verwendung von Millimeter{Spektroskopie für einer Reihe von Moleküllinien analysiert. Alle Wolken zeigen komplexe HCO+ Linienpro- le, und in einigen IRDCs nden wir SiO{Emission. Diese Befunde weisen auf Einfall- und Ausflus-{Bewegungen zumindest in einigen Substrukturen der IRDCs hin und somit auf schon einsetzende Sternentstehungsaktivität. Im Vergleich mit Kernen niedriger Masse besitzen die IRDCs stärkere und vor allem deutlich breitere Linien, was auf einen erhöhten Grad an Turbulenz hinweisen kann. Trotzdem zeigt unsere Analyse, daß die chemischen Häu gkeiten diverser Moleküle in den IRDCs den entsprechenden Häu gkeiten in sehr jungen massearmen Molekülwolkenkernen sehr ähnlich sind. Dies deutet auf ähnliche chemische Anfangsbedingungen für massearme und massereiche Sternentstehungsregionen hin. Schließlich haben wir die stellare Zusammensetzung und die Umgebungsbedingungen in dem jungen eingebetteten Sternhaufen IRAS 06058+2138 untersucht. Grundlage ist die Analyse aller verfügbaren Beobachtungsdaten, welche einen großen Wellenlngenbereich, vom nahen und mittleren Infrarot bis hin zum Millimeter- und Zentimeterbereich, abdecken. Neue 3D{Infrarotspektroskopie{Daten mit dem VLT{Instrument SINFONI nahmen hierbei eine Schlüsselstellung ein. Wir können den Sternhaufen in drei Teilregionen unterteilen, die sich in unterschiedlichen Stadien der Sternentstehung be nden. Aufgrund des Vergleiches der Alter sowie der relativen Lage dieser Untergebiete folgern wir, daß die Bescha enheit dieser Region nicht durch einen Akt der sogannten getriggerten" Sternentstehung gesteuert worden ist. Deshalb nehmen wir an, daß es sich um einen Fall von rein sequentieller Sternentstehung handelt. Mit dieser Arbeit untermauern wir auch die Wichtigkeit eines multispektralen Ansatzes für solche Beobachtungsstudien. Hiermit können sowohl die stellare Population als auch noch sehr tief eingebettete Objekte simultan untersucht werden, was eine zuverlässigere Rekonstruktion der Sternentstehungsabfolge für solche komplexen Sternhaufen ermöglicht.

Translation of abstract (English)

The goal of this thesis work is to investigate the initial conditions and the early phases of the formation of high{mass stars by means of dedicated observational studies. We consider two object classes: infrared dark clouds (IRDCs), and a subsequent stage characterized by the presence of young embedded (proto-)stellar clusters. First, we estimate masses and column densities for a completely new sample of southern IRDCs, utilizing our own millimeter continuum emission maps as well as Spitzer satellite data. The parameters we derive show that IRDCs from our sample have the potential to form not only low- and intermediate-mass stars, but can also be the birth places of massive stars. In particular, the comparison of our results with previously obtained data for low-mass starless cores shows a clear trend for IRDCs to have systematically higher column densities. The interpolated IRDC peak column densities exceed the threshold for the onset of massive star formation previously advocated by theoretical studies. We also critically evaluate the limitations of the applied emission and extinction methods. Second, we investigate the physical conditions and the chemical composition of the dense gas within the IRDCs of our sample by means of a multi{line molecular spectroscopy analysis. All the clouds have complex HCO+ line pro les, and we detect SiO emission in some clouds. These ndings mark the presence of infall and out ow motions in at least some parts of the IRDCs, and hence, ongoing star formation. In comparison with low-mass starless cores, the IRDCs have broader and more intense lines. Thus, they may be characterised by more turbulent conditions. Nevertheless, we nd a tendency for the IRDCs to have molecular abundances similar to the case of low-mass starless cores. This indicates similar chemical initial conditions for low- and high-mass star-forming regions. Finally, we study the stellar composition and environmental conditions in the young embedded cluster IRAS 06058+2138. We perform an analysis of all the available data, covering the near- and mid-infrared as well as the centimeter and millimeter wavelength range. In particular new VLT/SINFONI integral{ eld spectroscopy data have played a pivotal role. We identify three star-forming clusters at di erent evolutionary stages. Comparing the relative ages of these clusters and their relative locations, we conclude that triggering could not have led to the cluster con guration we see in the region. Thus, we assume a merely sequential star-formation scenario for this region. With this study, we also demonstrate the importance of a multi{wavelength approach. Combining data at di erent wavelengths allows us to investigate both the more evolved stellar population, as well as very young embedded objects, and hence, to reconstruct the star-forming history of structured cluster environments.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Henning, Prof. Dr. Thomas
Date of thesis defense: 13. December 2010
Date Deposited: 21. Dec 2010 06:59
Date: 2010
Faculties / Institutes: Service facilities > Max-Planck-Institute allgemein > MPI for Astronomy
Subjects: 520 Astronomy and allied sciences
Controlled Keywords: Stern
Uncontrolled Keywords: clouds , molecules , Radio lines , Stars , Formation
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