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An unbiased infrared H2 search for embedded flows from young stars in Orion A

  • Gasausströmungen, oft in der Form hoch kollimierter Jets, sind ein allgegenwärtiges Phänomen bei der Geburt neuer Sterne. Emission von stossangeregtem molekularem Wasserstoff bei Wellenlängen im nahen Infrarotbereich ist ein Merkmal ihrer Existenz und auch in eingebetteten, im Optischen obskurierten Ausströmungen generell gut zu beobachten. In dieser Arbeit werden die Resultate einer von Auswahleffekten freien, empfindlichen, grossflächigen Suche nach solchen Ausströmungen von Protosternen in der v=1-0 S(1) Linie molekularen Wasserstoffs bei einer Wellenlänge von 2.12 µm vorgestellt. Die Durchmusterung umfasst eine Fläche von etwa einem Quadratgrad in der Orion A Riesenmolekülwolke. Weitere Daten aus einem grossen Wellenlängenbereich werden benutzt, um die Quellen der Ausströmungen zu identifizieren. Das Ziel dieser Arbeit ist es, eine Stichprobe von Ausströmungen zu bekommen, die so weit wie möglich frei von Auswahleffekten ist, um die typischen Eigenschaften protostellarer Ausströmungen und deren Entwicklung festzustellen, sowie umGasausströmungen, oft in der Form hoch kollimierter Jets, sind ein allgegenwärtiges Phänomen bei der Geburt neuer Sterne. Emission von stossangeregtem molekularem Wasserstoff bei Wellenlängen im nahen Infrarotbereich ist ein Merkmal ihrer Existenz und auch in eingebetteten, im Optischen obskurierten Ausströmungen generell gut zu beobachten. In dieser Arbeit werden die Resultate einer von Auswahleffekten freien, empfindlichen, grossflächigen Suche nach solchen Ausströmungen von Protosternen in der v=1-0 S(1) Linie molekularen Wasserstoffs bei einer Wellenlänge von 2.12 µm vorgestellt. Die Durchmusterung umfasst eine Fläche von etwa einem Quadratgrad in der Orion A Riesenmolekülwolke. Weitere Daten aus einem grossen Wellenlängenbereich werden benutzt, um die Quellen der Ausströmungen zu identifizieren. Das Ziel dieser Arbeit ist es, eine Stichprobe von Ausströmungen zu bekommen, die so weit wie möglich frei von Auswahleffekten ist, um die typischen Eigenschaften protostellarer Ausströmungen und deren Entwicklung festzustellen, sowie um die Rückwirkung der Ausströmungen auf die umgebende Wolke zu untersuchen. Das erste Ergebnis ist, dass Ausströmungen in Sternentstehungsgebieten tatsächlich sehr häufig sind: mehr als 70 Jet-Kandidaten werden identifiziert. Die meisten zeigen eine sehr irreguläre Morphologie anstelle regulärer oder symmetrischer Strukturen. Dies ist auf das turbulente, klumpige Medium zurückzuführen, in das sich die Jets hineinbewegen. Die Ausrichtung der Jets ist zufällig verteilt. Insbesondere gibt es keine bevorzugte Ausrichtung der Jets parallel zum grossräumigen Magnetfeld in der Wolke. Das legt nahe, dass die Rotations- und Symmetrieachse in einem protostellaren System durch zufällige, turbulente Bewegung in der Wolke bestimmt wird. Mögliche Ausströmungsquellen werden für 49 Jets identifiziert; für diese wird der Entwicklungsstand und die bolometrische Leuchtkraft abgeschätzt. Die Jetlänge und die H2 Leuchtkraft entwickeln sich gemeinsam mit der Ausströmungsquelle. Von null startend, dehnen sich die Jets schnell bis auf eine Länge von einigen Parsec aus und werden dann langsam wieder kürzer. Sie sind zuerst sehr leuchtkräftig, die H2 Helligkeit nimmt aber im Lauf der protostellaren Entwicklung ab. Die Längen- und H2 Leuchtkraftentwicklung lässt sich im Wesentlichen durch eine zuerst sehr hohe, dann niedriger werdende Massenausflussrate erklären, die auf eine zuerst sehr hohe, dann niedriger werdende Gasakkretionsrate auf den Protostern schliessen lässt (Akkretion und Ejektion sind eng verknüpft!). Die Längenabnahme der Jets erfordert eine ständig wirkende Abbremsung der Jets. Ein einfaches Modell einer simultanen Entwicklung eines Protosterns, seiner zirkumstellaren Umgebung und seiner Ausströmung (Smith 2000) kann die gemessenen H2- und bolometrischen Leuchtkräfte der Jets und ihrer Quellen reproduzieren, unter der Annahme, dass die starke Akkretionsaktivität zu Beginn der protostellaren Entwicklung mit einer überproportional hohen Massenausflussrate verbunden ist. Im Durchmusterungsgebiet sind 125 dichte Molekülwolkenkerne bekannt (Tatematsu et al. 1993). Jets (bzw. Sterne) entstehen in ruhigen Wolkenkernen, d.h. solchen mit einem niedrigen Verhältnis von interner kinetischer Energie zu gravitativer potentieller Energie; dies sind die Wolkenkerne höherer Masse. Die Wolkenkerne mit Jets haben im Mittel grössere Linienbreiten als die ohne Jets. Dies ist darauf zurückzuführen, dass sie bevorzugt in den massereicheren Wolkenkernen zu finden sind, welche generell eine grössere Linienbreite haben. Es gibt keinen Hinweis auf stärkere interne Bewegungen in Wolkenkernen mit Jets, die durch eine Wechselwirkung der Jets mit den Wolkenkernen erzeugt sein könnte. Es gibt, wie von der Theorie vorausgesagt, eine Beziehung zwischen der Linienbreite der Wolkenkerne und der H2 Leuchtkraft der Jets, wenn Jets von Klasse 0 und Klasse I Protosternen separat betrachtet werden; dabei sind Klasse 0 Jets leuchtkräftiger als Klasse I Jets, was ebenfalls auf eine zeitabhängige Akkretionsrate mit einer frühzeitigen Spitze und einem darauffolgenden Abklingen hinweist. Schliesslich wird die Rückwirkung der Jetpopulation auf eine Molekülwolke unter der Annahme strikter Vorwärtsimpulserhaltung betrachtet. Die Jets können auf der Skala einer ganzen Riesenmolekülwolke und auf den Skalen von Molekülwolkenkernen nicht genügend Impuls liefern, um die abklingende Turbulenz wieder anzuregen. Auf der mittleren Skala von molekularen Klumpen, mit einer Grösse von einigen parsec und Massen von einigen hundert Sonnenmassen liefern die Jets jedoch genügend Impuls in hinreichend kurzer Zeit, um die Turbulenz “am Leben zu erhalten” und können damit helfen, einen Klumpen gegen seinen Kollaps zu stabilisieren.show moreshow less
  • The presence of outflows, often in the form of well-collimated jets, is a phenomenon commonly associated with the birth of young stars. Emission from shock-excited molecular hydrogen at near-infrared wavelengths is one of the signposts of the presence of such an outflow, and generally can be observed even if the flow is obscured at optical wavelengths. In this thesis, I present the results of an unbiased, sensitive, wide-field search for flows from protostellar objects in the H2 v=1-0 S(1) line at a wavelength of 2.12 µm, covering a 1 square degree area of the Orion A giant molecular cloud. Further data covering a wide wavelength range are used to search for the driving sources of the flows. The aim of this work is to obtain a sample of outflows which is free from biases as far as possible, to derive the typical properties of the outflows, to search for evolutionary trends, and to examine the impact of outflows on the ambient cloud. The first result from this survey is that outflows are indeed common in star forming regions: more thanThe presence of outflows, often in the form of well-collimated jets, is a phenomenon commonly associated with the birth of young stars. Emission from shock-excited molecular hydrogen at near-infrared wavelengths is one of the signposts of the presence of such an outflow, and generally can be observed even if the flow is obscured at optical wavelengths. In this thesis, I present the results of an unbiased, sensitive, wide-field search for flows from protostellar objects in the H2 v=1-0 S(1) line at a wavelength of 2.12 µm, covering a 1 square degree area of the Orion A giant molecular cloud. Further data covering a wide wavelength range are used to search for the driving sources of the flows. The aim of this work is to obtain a sample of outflows which is free from biases as far as possible, to derive the typical properties of the outflows, to search for evolutionary trends, and to examine the impact of outflows on the ambient cloud. The first result from this survey is that outflows are indeed common in star forming regions: more than 70 candidate jets are identified. Most of them have a fairly ill-defined morphology rather than a regular or symmetric structure, which is interpreted to be due to the turbulent, clumpy ambient medium into which the jets are propagating. The jets are randomly oriented. In particular, no alignment of the jets with the large scale ambient magnetic field is found, suggesting that the spin and symmetry axis in a protostellar object is determined by random, turbulent motions in the cloud. Candidate driving sources are identified for 49 jets, and their evolutionary stage and bolometric luminosity is estimated. The jet lengths and H2 luminosities evolve as a function of the age of the driving source: the jets grow quickly from zero length to a size of a few parsec and then slowly shorten again. The jets are very luminous early on and fade during the protostellar evolution. The evolution in length and H2 luminosity is attributed to an early phase of strong accretion, which subsequently decreases. The shortening of the jets with time requires the presence of a continuous deceleration of the jets. A simple model of the simultaneous evolution of a protostar, its circumstellar environment, and its outflow (Smith 2000) can reproduce the measured values of H2 luminosity and driving source luminosity under the assumption of a strong accretion plus high ejection efficiency phase early in the protostellar evolution. Tatematsu et al. (1993) found 125 dense cloud cores in the survey area. The jet driving sources are found to have formed predominantly in quiet cores with a low ratio of internal kinetic energy to gravitational potential energy; these are the cores with higher masses. The cores which are associated with jets have on average larger linewidths than cores without jets. This is due to the preferred presence of jets in more massive cores, which generally have larger linewidths. There is no evidence for additional internal motions excited by the interaction of the jets with the cores. The jet H2 luminosity and the core linewidth (as predicted by theory) are related, if Class 0 and Class I jets are considered separately; the relation lies at higher values of the H2 luminosity for the Class 0 jets than for Class I jets. This also suggests a time evolution of the accretion rate, with a strong peak early on and a subsequent decay. Finally, the impact of a protostellar jet population on a molecular cloud is considered. Under the conservative assumption of strict forward momentum conservation, the jets appear to fail to provide sufficient momentum to replenish decaying turbulence on the scales of a giant molecular cloud and on the scales of molecular cloud cores. At the intermediate scales of molecular clumps with sizes of a few parsec and masses of a few hundred solar masses, the jets provide enough momentum in a short enough time to potentially replenish turbulence and thus might help to stabilize the clump against further collapse.show moreshow less

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Metadaten
Author:Thomas Stanke
URN:urn:nbn:de:kobv:517-0000076
Advisor:Harold W. Yorke, Michael D. Smith, Günther Hasinger
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Year of Completion:2000
Publishing Institution:Universität Potsdam
Granting Institution:Universität Potsdam
Date of final exam:2001/04/20
Release Date:2005/02/07
Tag:Orion A giant molecular cloud; Protostellar Jets and outflows; Star formation
RVK - Regensburg Classification:US 1080
Organizational units:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Physik und Astronomie
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 52 Astronomie / 520 Astronomie und zugeordnete Wissenschaften