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Chemical characterization of the early evolutionary phases of high-mass star-forming regions

Gerner, Thomas

German Title: Chemische Charakterisierung der frühen evolutionären Stadien von Sternentstehungsgebieten massereicher Sterne

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Abstract

The formation of high-mass stars is a very complex process and up to date no comprehensive theory about it exists. This thesis studies the early stages of high-mass starforming regions and employs astrochemistry as a tool to probe their different physical conditions. We split the evolutionary sequence into four observationally motivated stages that are based on a classification proposed in the literature. The sequence is characterized by an increase of the temperatures and densities that strongly influences the chemistry in the different stages. We observed a sample of 59 high-mass star-forming regions that cover the whole sequence and statistically characterized the chemical compositions of the different stages. We determined average column densities of 18 different molecular species and found generally increasing abundances with stage. We fitted them for each stage with a 1D model, such that the result of the best fit to the previous stage was used as new input for the following. This is a unique approach and allowed us to infer physical properties like the temperature and density structure and yielded a typical chemical lifetime for the high-mass star-formation process of 105 years. The 18 analyzed molecular species also included four deuterated molecules whose chemistry is particularly sensitive to thermal history and thus is a promising tool to infer chemical ages. We found decreasing trends of the D/H ratios with evolutionary stage for 3 of the 4 molecular species and that the D/H ratio depends more on the fraction of warm and cold gas than on the total amount of gas. That indicates different chemical pathways for the different molecules and confirms the potential use of deuterated species as chemical age indicators. In addition, we mapped a low-mass star forming region in order to study the cosmic ray ionization rate, which is an important parameter in chemical models. While in chemical models it is commonly fixed, we found that it strongly varies with environment.

Translation of abstract (German)

Die Entstehung massereicher Sterne ist ein sehr komplexer Prozess und bis heute existiert dar über keine umfassende Theorie. Diese Doktorarbeit untersucht die frühen Stadien von Regionen mit massereicher Sternentstehung und benutzt Astrochemie als Werkzeug, um die verschiedenen physikalischen Bedingungen zu erforschen. Wir teilen die evolutionäre Abfolge in vier durch Beobachtungen motivierte Stadien, welche auf einer vorgeschlagenen Klassifizierung aus der Literatur basieren. Die Sequenz ist dabei durch einen Anstieg der Temperaturen und Dichten charakterisiert, was einen starken Einfluss auf die Chemie in den unterschiedlichen Stadien hat. Wir beobachteten eine Auswahl von 59 Regionen mit massereicher Sternentstehung, die die gesamte Sequenz abdecken und charakterisierten statistisch die verschiedenen Stadien bezüglich ihrer chemischen Zusammensetzung. Wir bestimmten die Säulendichten von 18 verschiedene Molekülsorten und fanden im Allgemeinen einen Anstieg der Häufigkeiten mit dem Stadium. Wir modellierten diese für jedes Stadium mit einem 1D-Modell, wobei das Ergebnis des besten Modells des vorhergehenden Stadiums als Startbedingungen für das folgende Stadium benutzt wurde. Dies ist ein einzigartiger Ansatz und erlaubte es uns auf die physikalischen Eigenschaften, wie die Temperatur- und die Dichtestruktur zurückzuschließen und ergab eine typische chemische Lebenszeit des Entstehungsprozesses massereicher Sterne von 105 Jahren. Unter den 18 analysierten Molekülarten waren auch vier deuterierte Moleküle, deren Chemie besonders sensibel gegen¨uber der thermischen Geschichte ist und damit ein aussichtsreiches Werkzeug um auf das chemische Alter rückschließen zu können. Wir fanden eine abnehmende Tendenz des D/H-Verhältnisses mit evolutionärem Stadium für 3 der 4 Molekülsorten und dass das D/H-Verhältnis stärker vom Anteil vonwarmemzu kaltem Gas als von der Gesamtmenge des Gases abhängt. Dies weist auf verschiedene chemische Reaktionswege für die unterschiedlichen Moleküle hin und bestätigt den potentiellen Nutzen von deuterierten Molekülen als Kennzeichen für das chemische Alter. Zudem fertigten wir eine Karte einer Region mit massearmer Sternentstehung um die Ionisationsrate der kosmische Strahlung, die ein wichtiger Parameter in chemischen Modellen ist, zu erforschen. Während sie in chemischen Modellen üblicherweise fix ist, fanden wir heraus, dass sie sich stark mit der Umgebung ändert.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Beuther, apl. Prof. Dr. Henrik
Date of thesis defense: 16 October 2014
Date Deposited: 24 Oct 2014 10:11
Date: 2014
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Dekanat der Fakultät für Physik und Astronomie
Subjects: 520 Astronomy and allied sciences
Controlled Keywords: Sternentstehung
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