Csillagközi anyag és csillagkeletkezés a Naprendszer néhány kiloparszekes környezetében
Fehér Orsolya
ELTE Természettudományi Kar, Csillagászati Tanszék
Fizika Doktori Iskola, Részecskefizika és csillagászat program
Témavezető: Dr. Tóth L. Viktor, egyetemi adjunktus
2018. május 28. Doktori védés, Budapest
MTA Csillagászati és Földtudományi Kutatóközpont
Konkoly Thege Miklós Csillagászati Intézet
Lendület Korong-kutató Csoport
Kutatócsoport vezetője: Dr. Kóspál Ágnes
Áttekintés
- Bevezetés: A csillagkeletkezésről
- 1. + 2. tézispont: Galaktikus hideg felhőcsomók fizikai paramétereinek meghatározása
- 3. tézispont: A TMC-1 filamentáris molekulafelhő alegységei
- 4. tézispont: Egy fiatal csillag kifúvásának hatása a TMC-1-re
- 5. tézispont: A "fray and fragment" elmélet cáfolata a TMC-1-ben
- 6. tézispont: Indukált csillagkeletkezés a Rosetta Molekulafelhőben?
- 7. + 8. tézispont: Fiatal eruptív csillagok gázburkainak vizsgálata interferometriával
- Jelenlegi kutatások és tervek
![](https://s3.amazonaws.com/media-p.slid.es/uploads/833733/images/4912744/csillkel.jpg)
csillagközi gáz és porfelhő
csomók és filamentumok kialakulása
sűrű magok gravitációs összeomlása
protocsillag + korong + burok
csillag + bolygórendszer
Kép: Bill Saxton, NRAO/AUI/NSF
1.+2.
3.-4.-5.
6.
7.+8.
Bevezetés
Csillagközi anyag:
-
99% gáz + 1% por
(+ sugárzási, gravitációs és mágneses tér, kozmikus sugárzás) -
70% H, 28% He, ~2% nehezebb elemek (C, N, O...)
-
többféle fázis: hőmérséklet, sűrűség, ionizáltsági fok alapján
![](https://s3.amazonaws.com/media-p.slid.es/uploads/833733/images/4891500/cska.png)
- hierarchikus szerkezet: atomos hidrogénfelhőkbe ágyazott molekulafelhők --> filamentumok hálózata --> felhőcsomók, felhőmagok
-
megfigyelése:
- gáz: rádiótartományban: H-atom 21 cm,
molekulafelhőkben H2 helyett nyomjelző molekulákkal (CO, NH3, HCN, CS, HCO+...) - por: hőmérsékleti sugárzás infravörös (IR) hullámhosszakon
- gáz: rádiótartományban: H-atom 21 cm,
A csillagközi anyag főbb fázisai, Ward-Thompson & Whitworth (2011) nyomán
Bevezetés
Fiatal csillagok:
- feltétel: gravitáció > belső megtartó hatások
- viriálegyensúly:
![](https://s3.amazonaws.com/media-p.slid.es/uploads/833733/images/4891865/virial.png)
I: tehetetlenségi nyomaték
T: kinetikus energia
U: termikus energia
Fejlődési osztályok:
- sűrű gáz- és porburok IR hőmérsékleti sugárzása hozzáadódik a csillag fekete-test sugárzásához (infravörös többlet)
--> osztályok (Adams+ 1987, Greene+ 1994)
W: gravitációs potenciális energia
M: mágneses energia
![](https://s3.amazonaws.com/media-p.slid.es/uploads/833733/images/4915832/sed.png)
--> Mvir viriáltömeg
Bevezetés
Kérdések:
- hogyan alakulnak ki és fejlődnek az óriás molekulafelhőkben lévő szerkezetek?
- milyen fizikai feltételek mellett folynak a csillagkeletkezés legkorábbi fázisai?
- miként detektálhatók az indukált csillagkeletkezési folyamatok?
- milyen összefüggés van a galaktikus környezet, a molekulafelhő paraméterei és a keletkező csillagok tulajdonságai között?
- mik a fiatal csillag és környezete közötti kölcsönhatások jellemzői?
- mi a szerepe az epizodikus akkréciónak a kis tömegű csillagok keletkezésében?
Módszerek:
- földi rádióteleszkópos mérések és űreszközök IR adatai --> fizikai paraméterek
- vonalas sugárzás --> dinamika és struktúra a felhőkben (turbulencia, forgás, kifúvások)
- fiatal csillagok fejlődési osztályokba sorolása IR sugárzásuk mérésével
- viriálstabilitás (távolság, tömeg, hőmérséklet, turbulencia) --> csillagkeletkezés
- csillag körüli finom szerkezetek feltérképezése interferometriával: gázburok és korong, anyagbehullási és akkréciós ráta
1.+2. tézispont
Kapcsolódó publikáció:
Fehér és mtsai., Astronomy & Astrophysics, 606, A102, 21, 2017
Galaktikus hideg felhőcsomók fizikai paraméterei
Motiváció:
- nemzetközi Galactic Cold Cores kutatócsoport
- Planck: ~ 10000 hideg, sűrű régió (Planck Catalogue of Galactic Cold Clumps, PGCC), szub-mm hullámhossz, ~ 5' szögfelbontás
-
Herschel Galactic Cold Cores (GCC):
~ 100 mező távoli IR sávokban, 7"-40" szögfelbontás
-
csillagkeletkezés megértése: különböző körülmények között és különböző fázisokban
-
kiválasztott felhőcsomók:
- sűrű (N(H2) > 1021 cm-2 oszlopsűrűség)
- északi féltekéről megfigyelhető
- nem voltak irányukban magas szög- és spektrális felbontású molekulavonalas mérések
![](https://s3.amazonaws.com/media-p.slid.es/uploads/833733/images/4895369/planckherschel.jpg)
![](https://s3.amazonaws.com/media-p.slid.es/uploads/833733/images/4895370/pgcc.png)
kép: ESA
kép: L. Montier
Galaktikus hideg felhőcsomók fizikai paraméterei
Paraméterek meghatározása:
-
26 GCC mezőn 35 felhőcsomó, 12CO és 13CO (1-0) forgási átmenetei, 2014 január, Onsala, 20m-es távcső
- 2 vonal fluxusaránya: hőmérséklet, N(CO) CO és N(H2)gáz hidrogén oszlopsűrűség --> Mvir
-
Herschel: Tpor hőmérséklet, N(H2)por oszlopsűrűség --> Mcs tömeg
-
távolság pontosítása:
- előző munkák alapján + saját adatokból kinematikus távolság
![](https://s3.amazonaws.com/media-p.slid.es/uploads/833733/images/4895762/G110_62_tauT.png)
![](https://s3.amazonaws.com/media-p.slid.es/uploads/833733/images/4895763/G110_CO_copy.png)
Galaktikus hideg felhőcsomók fizikai paraméterei
![](https://s3.amazonaws.com/media-p.slid.es/uploads/833733/images/4627298/nvsn2.png)
Eredmények és konklúziók:
-
hőmérsékletek alacsonyak (10 - 20 K), a hidegebb felhőcsomók sűrűbbek, de: belső melegítés nyomai
-
por és gáz sugárzásából számolt H2 oszlopsűrűségek korrelációja
- N(CO) és N(H2)por arányából: CO relatív gyakoriság ~ alacsonyabb mint Frerking+ 1982, Lada+ 1994, hasonló: Parikka+ 2015
- felhőcsomók harmada: kis tömegű (< 1 MNap) és méretű (< 0,3 pc), viszonylag közeli (pár száz pc), gravitációsan nem kötött
- többi: parszek nagyságú, több száz Nap-tömegű, távoli felhők és nagyszámú fiatal csillag található a területükön
piros: > 14 K, kék: < 14 K
3. tézispont
Kapcsolódó publikáció:
Fehér és mtsai., Astronomy & Astrophysics, 590, A75, 17, 2016
A TMC-1 filamentáris molekulafelhő alszerkezetei
![](https://s3.amazonaws.com/media-p.slid.es/uploads/833733/images/4916213/Taurus_constellation.jpg)
kép: Nick Wright és David Malin nyomán
Taurus Molekulafelhő Komplexum
Fiastyúk
Bika csillagkép
Aldebaran
![](https://s3.amazonaws.com/media-p.slid.es/uploads/833733/images/4899495/tmc_pineda.png)
Heiles Cloud 2
Pineda+. 2010, CO integrált intenzitás
TMC-1
- legnagyobb tömegű, Planck: legfényesebb
- 14 PGCC objektum sűrű csoportja
- molekuláris gyűrű vagy tórusz? (Tóth+, 2004) hajlott filamentáris szerkezet? (Schloerb+ 1983, Cernicharo & Guelin, 1987)
- gerinc kinematikája, kémiája igen komplex, erősen fragmentált (Olano+ 1988, Hirahara+ 1992, Pratap+ 1997)
Motiváció: szerkezet és kinematika megértése --> nagy szögfelbontású (40") Herschel és nagy spektrális felbontású molekulavonalas mérések
A TMC-1 filamentáris molekulafelhő alszerkezetei
![](https://s3.amazonaws.com/media-p.slid.es/uploads/833733/images/4899452/TMC_N.png)
Fizikai paraméterek és szerkezet:
- Herschel + ammónia két átmenetének feltérképezése --> Tkin, N(NH3), N(H2)gáz, Tpor, N(H2)por
- ammónia emisszió eloszlása és N(H2)por által mutatott szerkezet között -- NH3 relatív gyakoriság különbözik
-
alacsony kinetikus hőmérsékletek (10 - 11 K), magas oszlopsűrűségek (párszor 1022 cm-2)
-
vonalsebességben elkülönülő alegységek
- melegebb körszimmetrikus csomó a filamentum délnyugati részén, egy irányban látszik egy I. osztályú csillaggal
A TMC-1 filamentáris molekulafelhő alszerkezetei
Fizikai paraméterek és szerkezet:
-
R statisztikus programcsomag NbClust eljárás
- oszlopsűrűség - vonalsebesség - égi koordináták halmazán:
-
--> egy irányban látszó, együtt mozgó
- k-közép módszer: 4 alegység
-
F1: NH3 oszlopsűrűség csúcs, F4: C-tartalmú molekulák csúcsa ~ korbeli különbség?
-
F3 melegebb és igen széles vonalakat mutat
- tömegük 20 - 50 MNap, viriálegyensúlyhoz közel állnak
![](https://s3.amazonaws.com/media-p.slid.es/uploads/833733/images/4903872/TMC-1_nb_kmeans_all_jav_d.png)
4. tézispont
Kapcsolódó publikáció:
Fehér és mtsai., Astronomy & Astrophysics, 590, A75, 17, 2016
Egy fiatal csillag kifúvásának hatása a TMC-1-re
- több vonalkomponens a spektrumokon + F1 turbulens kiszélesedése megnő
- az I. osztályú fiatal csillag kifúvása az F1 irányába mutat (Apai, Tóth+ 2005)
--> a csillag kifúvása eléri F1-et és megnöveli a turbulenciát
videó: Gerják Tímea, Tóth L. Viktor
5. tézispont
Kapcsolódó publikáció:
Fehér és mtsai., Astronomy & Astrophysics, 590, A75, 17, 2016
A "fray and fragment" elmélet cáfolata a TMC-1-ben
"Fray and fragment" (szál és töredék) elmélet:
- Hacar+ (2013) + Tafalla és Hacar (2015), Taurus-beli filamentumok
![](https://s3.amazonaws.com/media-p.slid.es/uploads/833733/images/4907055/fray.png)
- TMC-1 alegységei: hasonlóak a rostokhoz (méret, sebességek, de nagyobb tömeg)
-
de! F4 sebességei szuperszonikusak
+ már csomókra fragmentálódott
+ fiatalabb F1-nél...
![](https://s3.amazonaws.com/media-p.slid.es/uploads/833733/images/4907062/tmc_fibers.png)
![](https://s3.amazonaws.com/media-p.slid.es/uploads/833733/images/4916713/hacar.png)
előbb fragmentálódott, majd csak ezután válik szét sebességben koherens szálakká
6. tézispont
Kapcsolódó publikáció:
Cambrésy, ..., Fehér, ..., Astronomy & Astrophysics, 557, A29, 12, 2013
Indukált csillagkeletkezés a Rosetta Molekulafelhőben?
![](https://s3.amazonaws.com/media-p.slid.es/uploads/833733/images/4907089/rosetta.png)
Motiváció:
- NGC 2244 OB asszociáció világít meg egy reflexiós ködöt + csillaghalmazok
- indukált csillagkeletkezés (Kiss, Tóth+ 2006, Tóth & Kiss, 2007): vitatott (Román-Zúniga és Lada 2008, Elmegreen 1998, Schneider+ 2012, Poulton+ 2008)
Schneider+ 2010: H-alfa (DSS) + Herschel
NGC 2244
Munkám:
- fiatal csillag kiválasztási módszerek összehasonlítása
- fiatal csillagok fejlődési állapotainak meghatározása
- csillagközi anyag és csillagok együttes jellemzése --> indukált csillagkeletkezés jelen van-e?
Csillaghalmazok definiálása:
- csillagsűrűség térkép (extinkciós térkép)
- CLUMPFIND algoritmus (Williams+ 1994): halmazok azonosítása
Indukált csillagkeletkezés a Rosetta Molekulafelhőben?
![](https://s3.amazonaws.com/media-p.slid.es/uploads/833733/images/4907175/Rosette_extinction.png)
![](https://s3.amazonaws.com/media-p.slid.es/uploads/833733/images/4907173/Rosette_clusters.png)
- 13 halmaz (2 új)
- halmazokban fiatal csillagok azonosítása IR többlet alapján --> osztályozás
A Rosetta extinkciós térképe: kontúrok AV = 2, 4, 8 mag. A maximum extinkció 38 magnitúdó.
Eredmények és konklúziók:
- halmazokban összesen 4000 - 8000 csillag, 535 fiatal csillag
-
csillagkeletkezési hatékonyság ~ 10 - 24% vagy 3 - 12%
-
90% kvantilis korok (csillagkeletkezés kezdete és a halmaz korának kapcsolata):
- NGC 2244 a legidősebb halmaz (1,8 millió év)
- a környező pár halmaz kora az NGC 2244-től számolt távolsággal csökken (1 - 0,2 millió év)
- a külsőbb régióban (7 halmaz) nincs ilyen összefüggés
-
új halmazok viszonylag fiatalok (0,2 - 0,6 millió év)
- a vizsgált halmazok mindegyikében jelenleg is folyik csillagkeletkezés
Indukált csillagkeletkezés a Rosetta Molekulafelhőben?
Az OB asszociációhoz közeli pár halmazban indukált csillagkeletkezés zajlott, távolabb azonban nem valószínű.
7.+8. tézispont
Kapcsolódó publikáció:
Fehér és mtsai, Astronomy & Astrophysics, 607, A39, 30, 2017
Fiatal eruptív csillagok gázburkainak vizsgálata interferometriával
Epizodikus akkréció:
- FUorok: 5-6 mag kifényesedések, lassú halványulás v. plató
- ok: akkréciós ráta megemelkedése (3-4 nagyságrend)
- elmélet: korong instabilitásai, kísérő, a korong anyagutánpótlása nem egyenletes
- modellek: visszatérő kitörések
![](https://s3.amazonaws.com/media-p.slid.es/uploads/833733/images/4911739/fuor_lightc.png)
Kóspál+ 2011
- nagy mennyiségű anyag akkréciója
- gázburok anyagának eltávolítása
(átmenet az I. és II. osztály között?)
fiatal csillagok különleges csoportja vagy fiatal csillagok egy különleges fejlődési állapotban?
Jelentőség
![](https://s3.amazonaws.com/media-p.slid.es/uploads/833733/images/4959641/flowofmateri.png)
kép: MTA CSFK
Fiatal eruptív csillagok gázburkainak vizsgálata interferometriával
A mérések:
- 7 (1 kettős) forrás, gázburok és környező források/struktúrák
- PdBI (NOEMA) távcsőrendszer + IRAM 30 méteres antenna
- 13CO és C18O izotopológok + 2,7 mm kontinuum
- ~ 2" szögfelbontás (kb. 1000 CSE), ~0,1 km/s sebességfelbontás
--> gázburok, behullás
- szerkezete
- paraméterei
- környezete
- epizodikus akkréció oka ezen a skálán?
- különböznek-e nyugalomban lévőktől?
![](https://s3.amazonaws.com/media-p.slid.es/uploads/833733/images/4911927/fig1.jpg)
Fiatal eruptív csillagok gázburkainak vizsgálata interferometriával
A detektált gázburkok:
- 0,2 - 0,5 MNap, 2000 - 3000 CSE
- környezetnél melegebb (15 - 30 K)
- sebességgradiensek, kifúvások
- kontinuum detektálás
![](https://s3.amazonaws.com/media-p.slid.es/uploads/833733/images/4932620/v1057_13co.png)
![](https://s3.amazonaws.com/media-p.slid.es/uploads/833733/images/4932621/v1515_13co.png)
![](https://s3.amazonaws.com/media-p.slid.es/uploads/833733/images/4932618/v1057_T.png)
![](https://s3.amazonaws.com/media-p.slid.es/uploads/833733/images/4932629/v1515_T.png)
![](https://s3.amazonaws.com/media-p.slid.es/uploads/833733/images/4932632/v1735_out.png)
![](https://s3.amazonaws.com/media-p.slid.es/uploads/833733/images/4932628/v1057c.png)
![](https://s3.amazonaws.com/media-p.slid.es/uploads/833733/images/4932634/v1515c.png)
Fiatal eruptív csillagok gázburkainak vizsgálata interferometriával
Eredmények és konklúziók:
-
komplex, csomós csillag körüli környezet
-
egyéb források, kifúvások, forgás, nagyskálájú gradiensek
-
melegített, pár tized naptömegű gázburkok: a vizsgált FUorok között mind I., mind II. osztályú fiatal csillagokhoz hasonló források előfordulnak
- az interferometrikus mérési módszer hasznos a csillag körüli szerkezetek és a burok/korong kinematika több skálán való megismeréséhez.
Jelenlegi és tervezett kutatások
-
TOP-SCOPE nemzetközi együttműködés - ELTE Csillagászati Tanszék részvételével
- JCMT-SCUBA mérési kampányban részt vettem
- 100 protocsillag jelölt PGCC-kben szub-mm kontinuum mérésekből (TOP-SCOPE)
- ezekre NH3(1,1) és (2,2) vonalak detektálása Effelsbergben (magyar TOP-SCOPE csoport)
- méréseket feldolgoztam, fizikai paraméterek számolása folyamatban
-
FUorok behullási modellének tesztelése
- elfogadott NOEMA projekt
- kinematika a korong/burok határán (behullás, forgás, szerkezet)
- ALMA mérések kiegészítése + hasonló felbontás, más frekvencia-tartomány
-
FUorok kémiája
- IRAM 30m-es mérések: sokféle molekulavonal - "vonaltár"
-
2018 szeptemberétől a NOEMA Science Operations Group poszt-doktori pozíciójában (Grenoble, Franciaország)
- saját kutatásaim + NOEMA felhasználók támogatása, teleszkóppal való munka
Referenciák
Adams, Lada és Shu, 1987, A&A, 312, 788-806
Apai és mtsai, 2005, A&A, 433, L33-L36
Cernicharo és mtsai, 1987, A&A, 176, 299-316
Elmegreen 1998, ASPCS, Vol. 148, 150
Frerking és mtsai, 1982, ApJ, 262, 590-605
Greene és mtsai, 1994, A&A, 614-626
Hacar és mtsai, 2013, A&A, 554, A55
Hirahara és mtsai, 1992, ApJ, 394, 539-551
Kiss és mtsai, 2006, A&A, 453, 3, 923-936
Kóspál és mtsai, 2011, A&A, 527, A133
Lada és mtsai, 1994, ApJ, 429, 694-709
Olano és mtsai, 1988, A&A, 196, 194-200
Parikka és mtsai, 2015, A&A, 577, A69
Pineda és mtsai, 2010, ApJ, 721, 1, 686-708
Poulton és mtsai, 2008, MNRAS, 384, 1249-1262
Pratap és mtsai, 1997, ApJ, 486, 862-885
Román-Zúniga és mtsai, Ed. by B. Reipurth
Schloerb és mtsai, 1983, ApJ, 267, 163-173
Schneider és mtsai, 2012, A&A, 540, L11
Tafalla és mtsai, 2015, A&A, 574, A104
Tóth és mtsai, 2004, A&A, 420, 533-546
Tóth & Kiss, 2007, Proceedings of the IAU, 124-127
Ward-Thompson és Whitworth, 2011, Cambridge University Press
Williams és mtsai, 1994, ApJ, 428, 693-712
Fehér Orsolya doktori értekezés védése
By Orsolya Fehér
Fehér Orsolya doktori értekezés védése
- 829