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Infrared and radio observations of the earliest stages of massive star formation

Pitann, Jan

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Abstract

It is assumed that objects which will eventually evolve into high-mass main sequence stars can initially appear as low- to intermediate-mass young stellar objects that are still accreting mass. By initiating a Spitzer mid-infrared spectroscopic survey of intermediate mass young stellar objects, selected from massive star-forming clumps and infrared dark clouds (IRDCs), an evolutionary sequence was established. A group of particularly young stellar objects (YSOs) was found showing several ice and silicate absorption features. A second group was identified: these objects represent more evolved YSOs that already emit a significant amount of UV radiation and feature shock-excited gas driven by proto-stellar outflows. Importantly, the observed extended emission of cationic polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) and the analysis of molecular hydrogen indicates the creation of a very young photon dissociation region while the expected radio emission from the associated HII region is still undetectable.

An automated photometric pipeline was developed to detect cold dense cores and extract their far-infrared fluxes in Herschel bolometer maps while taking into account the complicated background and additional instrumental effects. By studying the fragmentation in the high-mass part of the Herschel EPoS program a typical point source separation of ~ 0.5 pc was found throughout the sample. The detected sources are in an evolutionary stage where they are embedded in the dust clumps associated with the parental cloud. This typical source separation is not retained in later stages, such as in young stellar clusters.

Furthermore, a comprehensive case study is presented in which an isolated IRDC region is used to analyze the conditions of massive star formation in the absence of strong external effects. Two point sources found in this region are candidates for evolving into high-mass main-sequence stars. The filamentary star-forming cloud is in free collapse while the embedded molecular clumps are gravitationally bound. The observed dust temperature structure shows that the dark cloud is not isothermal. The locations of temperature minima are in good spatial agreement with the column density peaks. Together with the structure of molecular clumps identified by radio line observations these results confirm that the dust temperatures are lowest in the densest parts of the dark cloud.

Translation of abstract (German)

Es wird davon ausgegangen, dass auch Quellen, die sich letztendlich zu massereichen Sternen entwickeln, anfänglich als akkretierende, junge, stellar Objekte mit geringer oder mittlerer Masse zu beobachten sind. Eine Reihe von jungen stellaren Objekten im mittleren Massebereich aus ausgewählten massereichen Sternentstehungsgebieten wurden mittels Spektroskopie im mittleren Infrarot mit Spitzer beobachtet. Anhand dieser Beobachtungen lassen sich diese Objekte gemäß ihres Entwicklungsstadiums einordnen. Eine erste Gruppe, bestehend aus besonders jungen stellaren Objekten, wurde dabei identifiziert. Diese zeichnet sich durch mehrere charakteristische Eis- und Silikatbanden in den spektroskopischen Beobachtungen aus. Eine zweite Gruppe repräsentiert weiter entwickelte Objekte, die bereits einen beträchtlichen Strahlungsfluss im Ultravioleten aufweisen sowie Gas in Stoßfronten, angeregt durch protostellare Ausflüsse. Ein noch wichtigeres Merkmal sind die ausgedehnten Emissionen geladener polyzyklischer aromatische Kohlenwasserstoffverbindungen (PAK). Zusammen mit der Analyse des vorhandenen molekularen Wasserstoffs lassen sie auf die Entstehung einer sehr jungen photonendominierten Region (PDR) schließen. Die erwartete PDR-Radioemission ist jedoch noch nicht zu beobachten.

Eine automatisierte photometrische Pipeline wurde entwickelt, um kalte Kerne hoher Dichte zu detektieren und Strahlungsdichten dieser Quellen in Herschel-Ferninfrarot-Karten zu vermessen. Das entwickelte Programm wurde optimiert, um den Einfluß des komplizierten Infrarot-Hintergrundes und weitere instrumentenbedingte Beschränkungen zu minimieren. Durch die Untersuchung der Fragmentierung der massereichen Regionen im Herschel-Beobachtungsprogramm EPoS wurde eine typische räumliche Separation der einzelnen Quellen von etwa 0,5 Parsec gefunden. Diese Separation findet sich jedoch nicht in späteren Evolutionsstadien, beispielsweise in junge Sternhaufen.

Ferner wird eine umfassende Fallstudie vorgelegt, in welcher die physikalische Beschaffenheit einer isolierten Dunkelwolke untersucht wird, welche keinen erkennbaren äußeren Einflüssen unterliegt. Zwei der Punktquellen, die in dieser Region gefunden wurden, sind vielversprechende Kandidaten für künftige massereiche Sterne. Diese Sternentstehungsregion besteht nur aus einem einzigen Filament und wird im freien Kollaps beobachtet. Die molekularen Klumpen in dieser Dunkelwolke scheinen jedoch gravitativ gebunden zu sein. Die gemessene Verteilung der Staubtemperaturen zeigt, dass diese Dunkelwolke nicht isothermisch ist. Die tiefsten Temperaturen stimmen räumlich sehr gut mit den höchsten Säulendichten überein. Diese Messungen zeigen, zusammen mit den molekularen Klumpen, die mittels Radio-Emissionslinien identifiziert wurden, dass die tiefsten Staubtemperaturen in den dichtesten Bereichen dieser Dunkelwolke auftreten.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Henning, Prof. Dr. Thomas
Place of Publication: Heidelberg
Date of thesis defense: 17. October 2012
Date Deposited: 02. Nov 2012 09:46
Date: October 2012
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Dekanat der Fakultät für Physik und Astronomie
Service facilities > Max-Planck-Institute allgemein > MPI for Astronomy
Subjects: 520 Astronomy and allied sciences
Controlled Keywords: Sternentstehung, Interstellarer Staub, Infrarot, Massereicher Stern, Fragmentierung, FIR, Millimeterwelle, Spektroskopie
Uncontrolled Keywords: Herschel Spitzer
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