Dynamical and chemical properties of magnetised star-forming regions

Redaelli, Elena (2020): Dynamical and chemical properties of magnetised star-forming regions. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik

Abstract

Zweifellos spielen die Sterne die führende Rolle am Nachthimmel, und ihre Beobachtungen gehen auf den Ursprung der Menschheit zurück, wenn auch anfangs aus einer Perspektive des Staunens und der Mythologie. Doch erst im XX. Jahrhundert begannen die Wissenschaftler, das frühe Leben der Sterne systematisch zu erforschen. Die Sternentstehung ist zu einem zentralen Thema der modernen Astrophysik geworden, und wo, wann und wie Sterne geboren werden, sind Fragen, die noch gründlich beantwortet werden müssen. Noch in jüngster Zeit haben sich die Astrochemie und die Astrobiologie auf diesem Gebiet immer mehr durchgesetzt. Tatsächlich ist die Sternentstehung auch eine Geschichte von zunehmender chemischer Komplexität, die um mindestens einen eigentümlichen Stern herum zur Entstehung von Leben führte. Diese Doktorarbeit konzentriert sich auf mehrere Aspekte der Entstehung massearmer Sterne, hauptsächlich aus astrochemischer Sicht. Prästellare Kerne —kalte und dichte Fragmente von Molekülwolken am Rande des Gravitationskollapses— stellen den Geburtsort sonnenähnlicher Sterne dar. In den ersten beiden Teilen dieser Arbeit konzentriere ich mich auf diese Art von Objekten, indem sie die Isotopenzusammensetzung der reichlich vorhandenen Moleküle im kalten interstellaren Medium untersuche. Tatsächlich werden Fraktionierungsprozesse, die den molekularen Isotopengehalt verändern, als ein guter diagnostischer Tracer für die verschiedenen Sternentstehungsphasen angesehen. Insbesondere analysiere ich zunächst das Stickstoff-Isotopenverhältnis im Diazenylium (N2H+) in einer kleinen Stichprobe von prästellaren Kernen. In den letzten Jahrzehnten hat die Fraktionierung von Stickstoff in der Astrochemie großes Interesse erlangt, da sie es uns ermöglichen könnte, die verschiedenen Materialien, die das eigentliche Planetensystem bilden, mit der ursprünglichen interstellaren Materie zu verbinden. Sein Isotopenverhältnis kann uns daher helfen, grundlegende Fragen zu beantworten, wie zum Beispiel, wie und in welchem Ausmaß unser Planet seine Zusammensetzung vom ursprünglichen Sonnennebel geerbt hat. Um dieses Ziel zu erreichen, ist jedoch ein umfassendes Verständnis der Stickstoffchemie erforderlich, und weitere Beobachtungsdaten, wie sie in dieser Arbeit vorgestellt werden, können weitere Einschränkungen für die chemischen Modelle liefern. Der zweite Teil handelt vom prästellaren Kern L1544. Insbesondere konzentriere ich mich auf den Deuterierungsgrad —d.h. die Fraktionierung von Wasserstoff— dieses Objekts und analysiere mehrere Rotationsübergänge von zwei üppig vorhandenen Ionen: Diazenylium und protoniertes Kohlenmonoxid (HCO+). Diese aktuellen, qualitativ hochwertigen Daten erlauben es, zuverlässige Informationen über die räumliche Verteilung des Deuteriumanteils abzuleiten. Die Kombination eines fortschrittlichen Modells des Strahlungstransportes mit einem hochmodernen chemischen Netzwerk wird genutzt um auch die Chemie dieser Moleküle in L1544 zu untersuchen. Auf die prästellare Phase folgt die protostellare, in dem sich als Folge des Gravitationskollapses ein zentrales Objekt —ein Protostern— bildet. IRAS 15398-3359, das zu dieser Kategorie von Objekten gehört, wird im letzten Teil dieser Arbeit untersucht. Ich konzentriere mich auf die Untersuchung von Magnetfeldern, von denen bekannt ist, dass sie bei der Sternentstehung eine wichtige Rolle spielen. Tatsächlich können Magnetfelder die Gasströme regulieren, und bieten eine zusätzliche Druckquelle, die die Gravitationskraft ausgleicht. Ich benutze polarimetrische Beobachtungen der thermischen Staubemission aus dem protostellaren Kern, um die magnetische Stärke und Morphologie abzuleiten. Insbesondere bei letzterem stelle ich fest, dass die Feldlinien eine charakteristische Sanduhrform aufweisen, die auf einen magnetisch bedingten Kollaps hinweist. Zukünftige Beobachtungen mit höherer Empfindlichkeit und besserer Winkelauflösung, möglicherweise mit den neuesten interferometrischen Einrichtungen, werden uns helfen, all diese miteinander verbundenen Aspekte der Sternentstehungstheorie noch mehr zu erhellen und Schritt für Schritt zu einem vollständigen Verständnis der Theorie zu gelangen.

Abstract

Without a doubt, stars play the leading role in the night sky, and their observations trace back to the origin of humankind, even though at the beginning from a perspective of wonder and mythology. However, it was only in the XX century that scientists began systematically to study the early life of stars. Stellar formation has become a central subject in modern astrophysics, and where, when, and how stars are born are questions that still need thorough answers. Even more recently, astrochemistry and astrobiology became more and more prominent in this field. In fact, star formation is also a story of increasing chemical complexity, which around at least one peculiar star culminated in the emergence of life. This thesis focuses on several aspects of low-mass star formation, mainly from an astrochemical point of view. Prestellar cores —cold and dense fragments of molecular clouds on the verge of gravitational collapse— represent the birth place of Sun-like stars. In the first two parts of this work I concentrate on this kind of objects, studying the isotopic composition of abundant molecules in the cold interstellar medium. In fact, fractionation processes, which alter the molecular isotopic content, are considered a good diagnostic tracer of the different star-forming phases. In particular, I first analyse the nitrogen isotopic ratio in diazenylium (N2H+) in a small sample of prestellar cores. In the last few decades, nitrogen fractionation has become of key interest in astrochemistry, since it could allow us to link the various materials that constitute the actual planetary system to the pristine interstellar matter. Its isotopic ratio can hence help us answering fundamental questions, such as how and to which extent our planet inherited its composition from the primordial Solar Nebula. To achieve this goal, however, a comprehensive understanding of nitrogen chemistry is needed, and more observational data, such as the ones presented in this work, can provide further constraints for the chemical models. The second part aims its attention to the prestellar core L1544. In particular, I focus on the deuteration level —i.e. hydrogen fractionation— of this object, analysing several rotational transitions of two abundant ions: diazenylium and protonated carbon monoxide (HCO+). These recent, high-quality data allow to derive reliable information on the spatial distribution of the deuterium fraction. The combination of an advanced radiative transfer model with a state-of-the-art chemical network is used to investigate also the chemistry of these molecules in L1544. The protostellar phase follows the prestellar one when, as a consequence of the gravitational collapse, a central object —a protostar— is formed. IRAS 15398-3359, which belongs to this category of objects, is studied in the last part of this thesis. I focus on the study of magnetic fields, which are known to play an important role in star formation. In fact, they can regulate gas flows, and they provide an extra source of pressure balancing the gravitational pull. I use polarimetric observations of the dust thermal emission arising from the protostellar core to derive the magnetic strength and morphology. Concerning the latter, in particular, I find that the field lines present a characteristic hourglass shape, which is indicative of a magnetically-driven collapse. Future observations with higher sensitivity and better angular resolution, possibly with the most recent interferometric facilities, will help us enlighten even more all these interconnected aspects of the star formation theory, moving step by step towards a complete understanding of it.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
• Fakultäten: Fakultät für Physik
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 6. März 2020
• 1. Bericht­erstatter:in: Caselli, Paola