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Angular Momentum Evolution of Young Stars

Lamm, Markus

German Title: Drehimpulsentwicklung junger Sterne

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Abstract

This thesis presents a detailed investigation of the rotational behaviour of young pre-main sequence (PMS) stars in order to achieve a better understanding of their angular momentum evolution during this evolutionary stage. For that purpose I have carried out an extensive photometric monitoring program which enabled me to identify a total of 405 periodic and 184 irregular variable PMS stars in the young open cluster NGC 2264 (age: 2-4 Myr). Hence, I could increase the number of known PMS stars in NGC 2264 by more than a factor of three and the number of published periods by more than a factor of ten. Apart from the Orion Nebular Cluster (ONC, age: 1 Myr), with about 370 known rotation periods, NGC 2264 is therefore the only cluster for which a statistically significant number of rotation periods of PMS stars is known. For the first time it was possible to compare the rotational behaviour of stars of two young clusters with each other. I have shown that the period distribution of stars in NGC 2264 strongly depends on mass and quantitatively agrees with that of the ONC. However, the stars in NGC 2264 rotate with shorter rotation periods on average. A quantitative analysis which took into account the age ratio and the different stellar radii showed that a large fraction of stars spin up with conserved angular momentum while increasing in age. However, I also found that some stars clearly rotate with longer rotation periods even though they are aging. Apparently, these stars lose angular momentum, which is interpreted as a result of magnetic coupling to their circumstellar disk (``disk-locking''). The resulting locking period is about 8 days. My analysis further showed that ``disk-locking'' in NGC\,2264 or the ONC is important only for higher mass stars (M >= 0.3$\msun$). There is evidence that also the lower mass stars (M <= 0.3$\msun$) interact magnetically with their disks, but this interaction is in most cases not strong enough to remove angular momentum with sufficiently high rates to lock the star with a constant rotation period. These findings are closely connected with a surprising result. The typical brightness variations of the stars in NGC 2264 (caused by star spots) differ for the two mass regimes considered here. While the peak-to-peak variation of the higher mass stars is typically up to 0.2 mag, the lower mass stars show brightness modulations only up to 0.06 mag. I argue that this is evidence for a different magnetic field structure, caused by different dynamo processes, and could be the decisive factor for the different rotational behaviour of the lower mass stars.

Translation of abstract (German)

Neben dem Orion-Nebel-Haufen (ONC, Alter: 1 Mio. Jahre), mit ca. 370 bekannten Rotationsperioden, ist NGC 2264 damit der einzige junge Haufen für den eine statistisch signifikante Anzahl von Rotationsperioden für VHSt bekannt ist. Somit war es erstmals möglich, das Rotationsverhalten von Sternen zweier junger Haufen miteinander zu vergleichen. Es zeigte sich, dass die Periodenverteilung der Sterne in NGC 2264 stark masseabhängig ist und qualitativ der Verteilung im ONC gleicht. Die Sterne in NGC 2264 rotieren im Durchschnitt jedoch mit kürzeren Rotationsperioden. Eine quantitative Analyse unter Berücksichtigung des Altersunterschiedes und der unterschiedlichen Radien der Sterne beider Haufen zeigte, dass die zeitliche Entwicklung der Rotationsperioden für die meisten Sterne mit der Erhaltung des Drehimpulses im Einklang ist. Im Gegensatz dazu zeigte sich aber auch, dass einige Sterne trotz zunehmendem Alters weiter mit deutlich längerer Periode rotieren. Diese Sterne verlieren offensichtlich Drehimpuls, was als Folge einer magnetischen Ankopplung der Sterne an ihre zirkumstellare Scheibe (``disk-locking'') interpretiert wird. Die resultierende Kopplungsperiode beträgt ca. 8 Tage. Meine Analyse ergab ferner, dass in NGC 2264 oder dem ONC ``disk-locking'' nur für massereichere Sterne ($M \ga 0.3\msun$) von Bedeutung ist. Zwar gibt es auch bei massearmen Sternen ($M \la 0.3\msun$) Anzeichen für eine magnetische Wechselwirkung mit der Scheibe, diese ist aber nur in wenigen Fällen stark genug, um eine Ankopplung mit einer festen Rotationsperiode zu ermöglichen. Diese Ergebnisse stehen in engem Zusammenhang mit einem überraschenden Ergebnis. Die auftretenden Helligkeitsvariationen der Sterne in NGC 2264 (hervorgerufen durch Sternflecken) unterscheiden sich für die beiden hier untersuchten Massebereiche. Während die Helligkeit der massereicheren Sterne typischerweise um bis zu 0.2 mag schwankt, zeigen die masseärmeren Sterne nur Helligkeitsschwankungen bis zu 0.06 mag, was auf unterschiedliche Magnetfeldstrukturen hindeutet, die durch verschiedene Dynamoprozesse erzeugt werden. Dies könnte für das unterschiedliche Rotationsverhalten der massereicheren und masseärmeren Sterne von Bedeutung sein.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Mundt, Prof. Dr. Reinhard
Date of thesis defense: 26. November 2003
Date Deposited: 02. Dec 2003 14:36
Date: 2003
Faculties / Institutes: Service facilities > Max-Planck-Institute allgemein > MPI for Astronomy
Subjects: 520 Astronomy and allied sciences
Controlled Keywords: Sternentstehung, Drehimpuls, T-Tauri-Stern, Offener Sternhaufen, Sternrotation, Variabilität
Uncontrolled Keywords: NGC 2264 , Sternflecken , zirkumstellare Scheiben , Magnetfeldstar spots , circumstellar disks , magnetic fields
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