Exploring the environment of young stars [Elektronische Ressource] : disks, companions and clusters / presented by Dániel Apai

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Dissertationsubmitted to theCombined Faculties for the Natural Sciences and forMathematicsof the Ruperto-Carola University of Heidelberg, Germanyfor the degree ofDoctor of Natural Sciencespresented byDiplom Physicist Daniel ApaiBorn in: Szeged, HungarythOral examination: 26 May 2004Exploring the Environment of Young Stars:Disks, Companions and ClustersReferees: Prof. Dr. Thomas HenningProf. Dr. Matthias BartelmannAbstractThis thesis aims to further our understanding in four important, strongly related topics ofstar formation: Disk evolution, stellar multiplicity, FU Ori phenomenon and the formationof massive stars. The main results are the following: 1. By applying the novel methodof polarimetric di eren tial imaging and the NACO/VLT instrument we probe one of theclosest circumstellar disks in the planet-forming age at scales of our inner Solar System. 2.Our adaptive optics survey discovers six companion candidates to young stars. The mostinteresting one is close to the well-known outburst star FU Ori and is a good candidatefor being the outburst trigger. 3. We identify the second-closest cluster of young starsaround the intermediate-mass star HD 104237, with at least three of them showing signsof disks. 4. The rst global picture on the prototypical massive star-forming region IRAS09002-4732 is provided and its stellar content, re ection nebula, compact H II region andglobular dust lamen ts are analysed. 5.

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Published 01 January 2004
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Dissertation
submitted to the
Combined Faculties for the Natural Sciences and for
Mathematics
of the Ruperto-Carola University of Heidelberg, Germany
for the degree of
Doctor of Natural Sciences
presented by
Diplom Physicist Daniel Apai
Born in: Szeged, Hungary
thOral examination: 26 May 2004Exploring the Environment of Young Stars:
Disks, Companions and Clusters
Referees: Prof. Dr. Thomas Henning
Prof. Dr. Matthias BartelmannAbstract
This thesis aims to further our understanding in four important, strongly related topics of
star formation: Disk evolution, stellar multiplicity, FU Ori phenomenon and the formation
of massive stars. The main results are the following: 1. By applying the novel method
of polarimetric di eren tial imaging and the NACO/VLT instrument we probe one of the
closest circumstellar disks in the planet-forming age at scales of our inner Solar System. 2.
Our adaptive optics survey discovers six companion candidates to young stars. The most
interesting one is close to the well-known outburst star FU Ori and is a good candidate
for being the outburst trigger. 3. We identify the second-closest cluster of young stars
around the intermediate-mass star HD 104237, with at least three of them showing signs
of disks. 4. The rst global picture on the prototypical massive star-forming region IRAS
09002-4732 is provided and its stellar content, re ection nebula, compact H II region and
globular dust lamen ts are analysed. 5. The rst multi-epoch radial velocity survey of very
young, embedded massive stars is presented. Two massive close binary stars are identi ed.
The radial velocity measurements show large di erences explainable only if substantial
fraction of the young massive stars are close binaries. This high intrinsic binarity rate is
naturally explained by the coalescence-type formation of massive stars.
Zusammenfassung
Diese Arbeit hat die Erweiterung unseres Verst andisses in vier wichtigen, eng verwandten
Themenbereichen der galaktischen Sternentstehung zum Ziel: Entwicklung von Akkretion-
sscheiben, Mehrfachsternsysteme, FU Ori-Ph anomene und die Entstehung massereicher
Sterne. Die wesentlichen Ergebnisse der Arbeit sind: 1. Durch die Anwendung der neuen
Methode di eren tieller polarimetrischer Abbildungen konnten jene Teile der n achstgelege-
nen zirkumstellaren Scheiben beobachtete werden, deren aufgel oste Skalenl ange derjenigen
unseres inneren Sonnensystems entsprechen. 2. Bei einer Durchmusterung mit Hilfe von
adaptiver Optik wurden sechs Objekte gefunden, die wahrscheinlich Begleiter junger Sterne
sind. Der interessanteste dieser Kandidaten be ndet sich bei dem bekannten "Ausbruch"-
Objekt FU Ori. Der neugefunden Begleiter stellt vermutlich den Ausl oser dieser Ausbruc he
dar. 3. In der Umgebung von HD 104237 wurde der zweit-n achstgelegene Haufen junger
Sterne identi ziert. Mindestens drei Haufenmitglieder zeigen Anzeichen einer zirkumstel-
laren Scheibe. 4. Zum ersten mal wird ein umfassendes Bild der prototypischen Ster-
nentstehungsregion IRAS 09002-4732 gezeichnet. Dabei werden die enthaltenen Sterne
ebenso analysiert wie der Re ektionsneb el, das kompakte Hii-Gebiet und die ausgedehn-
ten Staub lamen te. 5. Es wird die erste multi-epochalen Radialgeschwindigkeitsdurch-
musterung sehr junger, eingebetteter massereicher Sterne vorgestellt. Hierbei konnten
zwei enge, massereiche Doppelsysteme identi ziert werden. Gro e Radialgeschwindigkeitss-
chwankungen vieles Systeme weisen daraufhin, da ein betr achtlicher Teil der massereichen
jungen Sterne engen Doppelsystemen angeh ort. Dies k onnte sich unkompliziert aus dem
Szenario der \Koaleszenz"-Entstehung massereicher Sterne ergeben.Contents
1 Introduction 1
1.1 Formation of Stars: The Current Picture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Caveats and Challenges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3 Scienti c Goals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2 The Disk of the Low-mass Star TW Hya 7
2.1 Observations and Data Reduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.1.1 NACO Observations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.1.2 Data Reduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.2 The Hydra Pipeline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.3 Signal Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.4 Reliability Tests and Con rmation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.5 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.6 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.6.1 Scattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.6.2 Radial Pro le and Slope Change . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.7 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3 Environment of Young Low- and Intermediate-Mass Stars 21
3.1 ALFA Survey of Young Nearby Stars . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.1.1 Observations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.1.2 Data Reduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.2 Overview of the ALFA Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.3 Five New Companion Candidates to Young Stars . . . . . . . . . . . . . . 23
3.3.1 Candidate to the Youngest Vega-type star . . . . . . . 24
3.3.2 Companion Candidates to Three Reference Stars . . . . . . . . . . 24
3.3.3 V 380 Cep and its Companion Candidate . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.4 FU Ori and its Companion Candidate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.4.1 Astrophysical Importance of FU Ori . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.4.2 Detection of a Companion Candidate . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.4.3 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.5 Circumstellar Envelopes around AB Aur and SU Aur . . . . . . . . . . . . 32
3.5.1 The Herbig Ae star AB Aur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
III CONTENTS
3.5.2 The T Tauri Star SU Aur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.5.3 Discussion of the Envelopes around AB Aur and SU Aur . . . . . . 38
3.6 The HD 104237 Association . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.6.1 NACO Observations and Data Reduction . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.6.2 Photometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.6.3 Results on the HD 104237 Association . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.7 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4 Portrait of a High-Mass Star-Forming Region 45
4.1 Observations and Data Reduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4.1.1 Near-infrared 1 { 2.2 m imaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4.1.2 Near-Infrared 3 { 5 m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.1.3 Mid-infrared imaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.1.4 The N-band Spectrum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.1.5 SIMBA 1.2-mm mapping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.2 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4.2.1 Global Morphology of the Star-Forming Region . . . . . . . . . . . 51
4.2.2 Structures on Smaller Scales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.2.3 Stellar population of the Star-Forming Region . . . . . . . . . . . . 58
4.2.4 The UC H II Region . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.2.5 Spectral Energy Distribution of the UC H II Region . . . . . . . . . 63
4.2.6 The ionizing star of the UC H II Region . . . . . . . . . . . . . . . 68
4.3 Global Picture and Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4.3.1 Geometric Model { Completing the Puzzle . . . . . . . . . . . . . . 70
4.3.2 Open Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
4.3.3 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
5 Search for the Youngest Massive Binaries 73
5.1 Multiplicity of Massive Stars . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
5.1.1 Massive Binaries in Clusters and OB-associations . . . . . . . . . . 74
5.1.2e in Star-Forming Regions . . . . . . . . . . . . . . 75
5.1.3 The Observational Challenge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
5.2 Observations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
5.2.1 Target Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
5.2.2 ISAAC Observations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
5.3 Data Reduction and Radial Velocity Determination . . . . . . . . . . . . . 78
5.3.1 Basic Calibration Files . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
5.3.2 Basic Data Reduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
5.3.3 Telluric Line Removal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
5.3.4 Radial Velocity Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
5.3.5 Individual Objects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
5.4 Error Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
5.4.1 Peak Fitting Methods and their Errors . . . . . . . . . . . . . . . . 90CONTENTS III
5.4.2 Telluric Line Residuals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
5.4.3 Wavelength Calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
5.4.4 Heliocentric Corrections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
5.4.5 Quasi-Simultaneous Observations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
5.5 Results and Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
5.5.1 Observational Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
5.5.2 Binary Population . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
5.6 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
6 Summary 99
AcknowledgementIV CONTENTS