Young massive star clusters as probes for stellar evolution, cluster dynamics and long term survival [Elektronische Ressource] / put forward by Boyke Rochau

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Dissertationsubmitted to theCombined Faculties of the Natural Science and Mathematicsof the Ruperto-Carola-University of Heidelberg. Germanyfor the degree ofDoctor of Natural SciencesPut forward byBoyke Rochauborn in: BremenOral examination: May 10th, 2011Young massive star clusters as probes for stellarevolution, cluster dynamics and long termsurvivalReferees:Prof. Dr. Thomas HenningProf. Dr. Ralf KlessenAbstractIn this dissertation I present an astrometric and photometric study of three youngand massive star clusters in the Milky Way to describe their structure, dynamics andkinematics. I conduct the first astrometric study of a Galactic starburst cluster withHST-WFPC2. I derived an age of 1Myr of NGC3603YoungCluster and a distance of6.75kpc. Thevelocity dispersionisfoundtobe4:750:8km/swithsimilarvelocities atdifferentmasseshintatanon-virialized cluster. Comparisonofthedynamicalandpho-tometric mass suggests a high star formation efficiency and dynamical timescales showthat the cluster dissolves into the Galactic field in a few Gyr. VLT-MAD observations0˙of Trumpler14 reveal a homogeneous AO corrected PSF over the 2 field-of-view. Thephotometric analysis proves the recency of the major star forming event in the clusterabout 1Myr ago. Its mass function turns over at0:5M , consistent with a Kroupa-IMF and shows a not segregated among the intermediate mass stars.

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Published 01 January 2011
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Dissertation
submitted to the
Combined Faculties of the Natural Science and Mathematics
of the Ruperto-Carola-University of Heidelberg. Germany
for the degree of
Doctor of Natural Sciences
Put forward by
Boyke Rochau
born in: Bremen
Oral examination: May 10th, 2011Young massive star clusters as probes for stellar
evolution, cluster dynamics and long term
survival
Referees:
Prof. Dr. Thomas Henning
Prof. Dr. Ralf KlessenAbstract
In this dissertation I present an astrometric and photometric study of three young
and massive star clusters in the Milky Way to describe their structure, dynamics and
kinematics. I conduct the first astrometric study of a Galactic starburst cluster with
HST-WFPC2. I derived an age of 1Myr of NGC3603YoungCluster and a distance of
6.75kpc. Thevelocity dispersionisfoundtobe4:750:8km/swithsimilarvelocities at
differentmasseshintatanon-virialized cluster. Comparisonofthedynamicalandpho-
tometric mass suggests a high star formation efficiency and dynamical timescales show
that the cluster dissolves into the Galactic field in a few Gyr. VLT-MAD observations
0˙of Trumpler14 reveal a homogeneous AO corrected PSF over the 2 field-of-view. The
photometric analysis proves the recency of the major star forming event in the cluster
about 1Myr ago. Its mass function turns over at0:5M , consistent with a Kroupa-
IMF and shows a not segregated among the intermediate mass stars. Near-infrared
observations of RSGC1 display an elongated cluster with an age of 101Myr located
atthetipoftheGalacticbaratadistanceof6kpc. Acoreradiusof1:30:4pcisfound
and a blue to red supergiant ratio of 2:60:4 is derived, providing key information for
massive post-main sequence evolution. In each cluster a flat mass functions are found,
displaying an overabundance of more massive stars in the cores of such massive star
clusters.
Zusammenfassung
In dieser Arbeit pra¨sentiere ich eine astrometrische und photometrische Studie von
drei jungen und massereichen Sternhaufen in der Milchstrasse um ihre Struktur, Dy-
namik und Kinematik beschreiben. Ich fu¨hre die erste astrometrische Studie eines
Galaktischen Starbursthaufens mit Hilfe von HST WFPC2 durch. Ich leite ein Al-
ter von 1Myr fu¨r NGC3603YoungCluster und eine Entfernung von 6.75kpc ab. Die
Geschwindigkeitsdispersionliegtbei4:750:8km/sundvergleichbareGeschwindigkeiten
bei unterschiedlichen Massen weisen auf einen nicht virialisierten Sternhaufen hin. Der
Vergleich von dynamischer und photometrischer Masse deutet auf eine hohe Ster-
nentstehungseffizienz hin und auf dynamische Zeitskalen zeigen, daßsich der Stern-
haufen nach wenigen Gyr in das Galaktische Feld auflo¨st. VLT-MAD Beobachtungen
0von trumpler14 zeigen eine homogene AO korrigierte PSF u¨ber das 2 Gesichtsfeld.
Die photometrische Analyse von Trumpler14 belegt, dass das gro¨sste Sternentstehun-
gereignis des Sternhaufens vor 1Myr stattfand. Die Massenfunktion f¨allt bei0:5M
ab, konsistent mit der Kroupa-IMF und zeigt einen nicht massensegregierten Stern-
haufen bei Sternen von bis zu 3M . Nahinfrarotbeobachtungen von RSGC1 zeigen
ieinen elongierten Sternhaufen mit einem Alter von 10 1Myr der an der Spitze des
Galaktischen Balken bei einer Distanz von 6kpc liegt. Ich messe einen Kernradius von
¨1:30:4pc und ein Verha¨ltnis von blauen zu roten Uberriesen von 2:60:4, welches
Schlu¨sselinformationenfu¨rdieNach-HauptreihenentwicklungvonmassereichenSternen
bietet. In jedem der drei Sternhaufen wurde eine flache Massenfunktion abgeleitet die
eine erho¨hte Anzahle von massereicheren Sternen in den Kerngebieten der Sternhaufen
darstellt.
iiContents
1 Introduction 1
2 NGC 3603 Young Cluster 7
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.2 Observations and data analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.2.1 CTE correction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2.2 Geometric distortion, 34th row anomaly and velocity aberration 14
2.2.3 Pixel phase error . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.2.4 Breathing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.3 Proper motions and membership . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.3.1 Besanc¸on models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.4 Extinction, distance and age . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.5 Velocity dispersion and cluster dynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.5.1 Velocity dispersion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.5.2 Dynamical timescales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.6 Mass function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.6.1 Mass luminosity relation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.6.2 Mass function of NYC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.7 Summary and Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3 Trumpler 14 with MCAO 37
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
iii3.2 VLT-Multi conjugate Adaptive optics Demonstrator . . . . . . . . . . . 41
3.2.1 Optical performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.2.2 Multi-Conjugate Adaptive Optics Demonstrator . . . . . . . . . 42
3.3 Observations and data analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.4 Technical analysis of the MCAO data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.4.1 Performance in the central region . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.4.2 Performance in the outer regions . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.4.3 Photometric calibration and completeness . . . . . . . . . . . . . 49
3.5 Scientific analysis of the MCAO data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.5.1 MAD color magnitude diagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.5.2 Luminosity function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
3.5.3 Mass luminosity relation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.5.4 Mass function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.6 Radial (in)dependence of the mass function . . . . . . . . . . . . . . . . 67
3.7 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
4 The Red SuperGiant Cluster1 73
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
4.2 RSGC1 with Omega2000 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.2.1 Data description and analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.3 RSGC1 with MOIRCS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
4.3.1 Data description and analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
4.3.2 Catalogue combination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
4.4 Structure of RSGC1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
4.4.1 Structural parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
4.5 Identification of the cluster population and its photometric study . . . . 88
4.5.1 Color magnitude diagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
4.5.2 Blue to red supergiant ratio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
iv4.6 Mass function of the RSGC1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
4.6.1 Mass-luminosity relation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
4.6.2 Mass function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
4.7 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
5 Summary and conclusion 99
6 Akronyme 103
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