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The formation of brown dwarfs [Elektronische Ressource] : fundamental properties of very young objects near and below the substellar limit / vorgelegt von Viki Joergens

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Max-Planck-Institut fur Extraterrestrische PhysikThe Formation of Brown DwarfsFundamental propertiesof very young objectsnear and below the substellar limitDissertation der Fakult at fur Physikan der Ludwigs-Maximilians-Universitat Munc henvorgelegt am7. August 2002vonViki Joergensaus Munc henErstgutachter: Prof. Dr. Gregor Mor llZweitgutachter: Prof. Dr. Ralf BenderTag der mundlic hen Prufung: 24.1.2003ContentsKurzfassung auf deutsch 1Abstract 31 Brown dwarfs { an introduction 51.1 Brown dwarfs: objects between stars and planets . . . . . . . . . . 51.2 Formation models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81.2.1 Planet-like formation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81.2.2 Star-like formation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101.3 Substellar evolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131.3.1 Principles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131.3.2 Evolutionary models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161.4 Atmospheres, spectra andweather phenomena . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181.4.1 Atmospheres and spectra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181.4.2 Condensation, clouds and weather . . . . . . . . . . . . . . 191.5 Magnetic activity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211.6 Substellar tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241.6.1 The lithium test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Published 01 January 2002
Reads 7
Language English
Document size 1 MB

Max-Planck-Institut fur Extraterrestrische Physik
The Formation of Brown Dwarfs
Fundamental properties
of very young objects
near and below the substellar limit
Dissertation der Fakult at fur Physik
an der Ludwigs-Maximilians-Universitat Munc hen
vorgelegt am
7. August 2002
von
Viki Joergens
aus Munc henErstgutachter: Prof. Dr. Gregor Mor ll
Zweitgutachter: Prof. Dr. Ralf Bender
Tag der mundlic hen Prufung: 24.1.2003Contents
Kurzfassung auf deutsch 1
Abstract 3
1 Brown dwarfs { an introduction 5
1.1 Brown dwarfs: objects between stars and planets . . . . . . . . . . 5
1.2 Formation models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.2.1 Planet-like formation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.2.2 Star-like formation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.3 Substellar evolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.3.1 Principles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.3.2 Evolutionary models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.4 Atmospheres, spectra and
weather phenomena . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.4.1 Atmospheres and spectra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.4.2 Condensation, clouds and weather . . . . . . . . . . . . . . 19
1.5 Magnetic activity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.6 Substellar tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.6.1 The lithium test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.6.2 Methane test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.6.3 Substellar test by mass determination . . . . . . . . . . . . 26
1.7 Multiplicity and circumstellar material . . . . . . . . . . . . . . . 26ii CONTENTS
1.7.1 Brown dwarf companions to stars . . . . . . . . . . . . . . 27
1.7.2 Brown dwarf binaries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
1.7.3 Planets around brown dwarfs . . . . . . . . . . . . . . . . 29
1.7.4 Circumstellar disks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2 The brown dwarfs in Cha I 33
3 High-resolution spectroscopy (UVES/VLT) 37
3.1 Data acquisition and analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.2 Radial velocities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.3 Kinematics of brown dwarfs in ChaI . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.3.1 Velocity dispersion of brown dwarfs . . . . . . . . . . . . . 43
3.3.2 Velocity dispersion of the molecular gas . . . . . . . . . . . 44
3.3.3 Velocity dispersion of T Tauri stars in ChaI . . . . . . . . 44
3.3.4 Constraints for formation theories . . . . . . . . . . . . . . 47
3.4 Projected rotational velocities v sin i . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.5 Lithium equivalent width . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.6 Radial velocity survey for
substellar companions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4 High-resolution imaging (HST/VLT/NTT) 55
4.1 HST observations and data reduction . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.2 Ground-based imaging with VLT and NTT . . . . . . . . . . . . . 61
4.3 Colors of companion candidates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4.4 The companion candidate near ChaH 5 . . . . . . . . . . . . . . 66
4.5 Hints of binarity of ChaH 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68CONTENTS iii
5 Photometric monitoring 71
5.1 Hitherto known periods for brown dwarfs . . . . . . . . . . . . . . 72
5.2 Data acquisition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
5.3 Time series analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
5.4 Rotational periods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
5.4.1 B34 ( 0.12M ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
5.4.2 CHXR78C ( 0.09M ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
5.4.3 ChaH 2 ( 0.07M ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
5.4.4 ChaH 3 ( 0.06M ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
5.4.5 ChaH 6 ( 0.05M ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
5.5 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
5.5.1 Rotational modulation due to spots . . . . . . . . . . . . . 82
5.5.2 Comparison with spectroscopic velocities v sin i . . . . . . 83
5.5.3 Radii of brown dwarfs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
5.5.4 Evolution of angular momentum . . . . . . . . . . . . . . . 84
5.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
6 Summary and outlook 89
6.1 Kinematics of brown dwarfs in ChaI {
constraints for their formation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
6.2 Multiplicity of brown dwarfs and
very low-mass stars in ChaI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
6.3 Rotation rates, surface spots and substellar angular momentum
evolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
6.4 Outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
Appendix 97
References 101