Asymmetric infall beyond natal cores to protoplanetary disks

Valdivia Mena, María Teresa (2024): Asymmetric infall beyond natal cores to protoplanetary disks: observations and analysis of streamers toward embedded low-mass protostars. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik

Abstract

Die Masse eines Sterns wird während des protostellaren Stadiums festgelegt, in dem ein Protostern und die ihn begleitende Scheibe in ihren Geburtskern eingebettet sind. Die Mechanismen, die die Anhäufung von Masse innerhalb des Stern und Scheibensystems vorantreiben, sind jedoch nicht gut verstanden. Das klassische Bild der Sternentstehung geht davon aus, dass ein Protostern und seine planetenbildende Scheibe im Zentrum eines sphärisch symmetrischen Kerns akkretieren, der von äußeren Einflüssen isoliert ist. In Wirklichkeit ist die Verteilung des molekularen Gases auf allen Skalen asymmetrisch, von den parsec-großen Filamenten bis hin zu Asymmetrien in protoplanetaren Scheiben. Numerische Simulationen, die realistische Bedingungen in Sternentstehungsgebieten berücksichtigen, zeigen, dass der Einfall von Kernen in protostellare Scheiben durch lange und dünne Kanäle, sogenannte Streamer, erfolgt. Dank der Entwicklung leistungsfähiger Interferometer wie ALMA und NOEMA können wir nun diese Einfallkanäle in der Emission von molekularem Gas untersuchen. In dieser Dissertation untersuche ich die Eigenschaften von Streamers mit Hilfe von Submillimeter-Beobachtungen, wie zum Beispiel ihr Vorkommen und den Ursprung ihrer Massen. Das erste Projekt zielt darauf ab, die Massenzufuhr zu einer protostellaren Scheibe durch einen Streamer zu verfolgen. Mit interferometrischen Daten des PRODIGE NOEMA Großprogramms habe ich die Hülle von Per-emb 50, einem eingebetteten Protostern im Perseus, untersucht. Ich finde einen Streamer, der mehr als genug Masse liefert, um die aktuelle Akkretionsrate von der Scheibe zum Protostern aufrechtzuerhalten, und so sammelt sich in der Scheibe selbst gas an, was in der Zukunft einen Akkretionsausbruch auslösen kann. Ich finde auch molekulare Emission, die mit einem Akkretionsschock in der Nähe des voraussichtlichen Landeplatzes des Streamers übereinstimmen, was auf eine chemische Veränderung aufgrund des Masseneinfalls hinweist. Die Länge der beobachteten Streamer zeigt, dass sie Masse von außerhalb des Geburtskerns transportieren können, aber es ist nicht klar, woher die Masse kommt. Im zweiten Projekt verfolge ich den Massentransport von der größeren filamentären Struktur, die die Molekülwolken dominiert, hin zu einem einzelnen eingebetteten Protostern. Zu diesem Zweck untersuche ich die Gaskinematik in zwei verschiedenen physikalischen Größenordnungen, dem Gasfluss auf filamentärer Ebene (∼ 10000 au) und der Hülle eines eingebetteten Protosterns (100 au). Dank dichtebasierter Clustering-Algorithmen, die auf die Molekülliniendaten angewandt werden, finde ich einen Streamer in Richtung eines eingebetteten Protosterns, den isolierten und dichten Barnard 5-Kern. Ich entdecke auch einen Zufluss aus der größeren umgebendenWolke in Richtung der Filamentstrukturen, in die der Protostern eingebettet ist. Meine Analyse der Gaseigenschaften auf beiden Ebenen deutet darauf hin, dass der Zufluss aus der Wolke mit dem Streamer verbunden ist, was bedeutet, dass die protostellare Scheibe Zugang zu frischem Gas aus der umgebenden Wolke hat. Fast alle Streamer wurden zufällig gefunden, und es ist unklar, ob sie in der Nähe von Protosternen häufig vorkommen oder nicht. Im Rahmen des Abschlussprojekts führe ich die erste systematische Suche nach Streamers unter Verwendung von NOEMA- und 30-m-Teleskopbeobachtungen. Ich stelle fest, dass im Süden von NGC 1333, der aktivsten Sternentstehungsregion in der Perseus-Molekülwolke, etwa 40 % der Protosterne Anzeichen für einen asymmetrischen Einfall in Richtung ihrer Scheiben aufweisen. Ich stelle auch fest, dass das Gas aus der größeren umgebenden Molekülwolke stammt. Streamers sind also nicht nur häufig, sondern vergrößern auch das Massenreservoir, das nach dem klassischen Bild erwartet wird. Ich schließe diese Arbeit mit einem Ausblick darauf, wie wir einige der offenen Fragen zu den Auswirkungen von Streamern bei der Stern- und Planetenentstehung klären können. Jetzt, da wir wissen, dass Streamer ein häufiges Merkmal sind, ist es unerlässlich, die Auswirkungen des asymmetrischen Einfalls auf die Struktur der protoplanetaren Scheiben zu erforschen. Hochauflösende Beobachtungen von Molekülen innerhalb der protostellaren Scheiben in frühen Entwicklungsstadien werden es Astronomen ermöglichen, die Streamers in das Rätsel der Sternentstehung einzuordnen.

Abstract

The mass of a star is set during the protostellar stage, where a protostar and its accompanying disk are embedded in their natal core. However, the mechanisms that drive the accumulation of mass within the star and disk system are not well understood. The classical picture of star formation assumes a protostar and its planet-forming disk are accreting at the center of a spherically symmetric core, isolated from external influences. In reality, molecular gas distribution is asymmetric at all scales, from the parsec-sized filaments to asymmetries in protoplanetary disks. Numerical simulations that take into account realistic conditions within star forming regions find that infall from cores to disks proceeds through long and thin channels called streamers. Thanks to the development of powerful interferometers, such as ALMA and NOEMA, we can now study these infall channels in molecular gas emission. In this thesis, I investigate the properties of streamers using sub-millimeter observations, such as their occurrence and the origin of their masses. The first project aims to follow the mass delivery to a protostellar disk through a streamer. Using interferometric data from the PRODIGE NOEMA large program, I investigated the envelope of Per-emb 50, an embedded protostar in Perseus. I find a streamer that delivers more than enough mass to sustain the current accretion rate from disk to protostar, and thus gas accumulates in the disk itself, which can produce an accretion outburst in the future. I also find molecular emission consistent with an accretion shock near the predicted landing site of the streamer, suggesting a chemical change due to the mass infall. The length of observed streamers suggests that they can transport mass from outside the natal core, but it is not clear from where the mass comes from. In the second project, I follow the mass delivery from the larger filamentary structure that dominates molecular clouds toward an individual embedded protostar. For this, I study the gas kinematics in two different physical scales, the gas flow at filamentary scales (∼ 10000 au) and the envelope of an embedded protostar (∼ 100 au). Thanks to density-based clustering algorithms applied to the molecular line data, I find a streamer toward an embedded protostar in the isolated Barnard 5 dense core. I also detect inflow from the larger ambient cloud toward the filament spines where the protostar is embedded. My analysis of the gas properties at both scales suggests that the inflow from the cloud is connected to the streamer, implying the protostellar disk can access fresh gas from the ambient cloud. Almost all streamers have been found serendipitously, and it is unclear if they are a frequent feature around protostars or not. In the final project, I lead the first systematic search for streamers, using NOEMA and 30-m telescope observations. I find that in the south of NGC 1333, the most active star-forming region in the Perseus Molecular Cloud, around 40% of the protostars show signs of asymmetric infall toward their disks. I also determine that the gas feeding the streamers comes from the larger ambient molecular cloud. Therefore, streamers are not only frequent, but also expand the mass reservoir expected from the classical picture. I close this thesis with an outlook on how to resolve some of the open questions regarding the effects of streamers in star and planet formation. Now that we know streamers are a frequent feature, it is imperative to observe the effect of the asymmetric infall in the structure of protoplanetary disks. High resolution observations of molecules within the protostellar disks in early stages will allow astronomers to place streamers neatly in the puzzle of star formation.

• 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: 16. April 2024
• 1. Bericht­erstatter:in: Caselli, Paola