Multiwavelength observations of massive star-forming regions selected in the far-infrared [Elektronische Ressource] / put forward by Martin Hennemann

Dissertationsubmitted to theCombined Faculties of the Natural Sciences and Mathematicsof the Ruperto-Carola-University of Heidelberg, Germanyfor the degree ofDoctor of Natural SciencesPut forward byDipl.-Phys. Martin Hennemannborn in Bamberg, GermanyOral examination: 30 January 2009Multiwavelength observationsof massive star-forming regionsselected in the far-infraredReferees: Prof. Dr. Dietrich LemkeProf. Dr. Wolfgang DuschlBeobachtungen von im Ferninfrarot ausgewahltenmassereichen Sternentstehungsgebietenin mehreren SpektralbereichenEs existieren nur wenige Beobachtungen der fruhesten Entwicklungsstadien masse-reicher Sterne. Dies motivierte die Auswahl von massereichen Sternentstehungs-gebieten mit Hilfe der 170m ISOPHOT Zufallsdurchmusterung. Die Auswertungumfangreicher Nachfolgebeobachtungen bei Wellenl angen vom Nahinfrarot- bis in den(Sub-)Millimeterbereich ergibt eine Anzahl massereicher Klumpen und erlaubt die Charak-terisierung der damit verknupften Sternentstehung. Die Klumpen bestehen zu einemgro en Anteil aus kaltem, staubreichem Material bei Temperaturen zwischen 12 und 22 K,und mehrere haben Massen von 100 M oder darub er. Der Sternentstehungsprozess hat inallen begonnen und sie enthalten eingebettete Mittelinfrarotquellen, die junge stellare Ob-jekte geringer oder mittlerer Masse darstellen.
Publié le : jeudi 1 janvier 2009
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Dissertation
submitted to the
Combined Faculties of the Natural Sciences and Mathematics
of the Ruperto-Carola-University of Heidelberg, Germany
for the degree of
Doctor of Natural Sciences
Put forward by
Dipl.-Phys. Martin Hennemann
born in Bamberg, Germany
Oral examination: 30 January 2009Multiwavelength observations
of massive star-forming regions
selected in the far-infrared
Referees: Prof. Dr. Dietrich Lemke
Prof. Dr. Wolfgang DuschlBeobachtungen von im Ferninfrarot ausgewahlten
massereichen Sternentstehungsgebieten
in mehreren Spektralbereichen
Es existieren nur wenige Beobachtungen der fruhesten Entwicklungsstadien masse-
reicher Sterne. Dies motivierte die Auswahl von massereichen Sternentstehungs-
gebieten mit Hilfe der 170m ISOPHOT Zufallsdurchmusterung. Die Auswertung
umfangreicher Nachfolgebeobachtungen bei Wellenl angen vom Nahinfrarot- bis in den
(Sub-)Millimeterbereich ergibt eine Anzahl massereicher Klumpen und erlaubt die Charak-
terisierung der damit verknupften Sternentstehung. Die Klumpen bestehen zu einem
gro en Anteil aus kaltem, staubreichem Material bei Temperaturen zwischen 12 und 22 K,
und mehrere haben Massen von 100 M oder darub er. Der Sternentstehungsprozess hat in
allen begonnen und sie enthalten eingebettete Mittelinfrarotquellen, die junge stellare Ob-
jekte geringer oder mittlerer Masse darstellen. Mittels Millimeterinterferometrie gelingt
in einer Fallstudie die Entdeckung zweier kompakter Kerne, die in einen massereichen
Klumpen eingebettet sind. Beide treiben energiereiche Aus usse und akkretieren mit
m oglicherweise hohen Raten, und sind damit Beispiele der fruhesten Stadien von entste-
henden Sternen mittlerer oder hoher Masse. Die Bedeutung hoher aumlicr her Au osung
im Infrarot fur die Erforschung der Entstehung massereicher Sterne begrundet dezidierte
Beobachtungsprogramme mit dem Herschel Weltraumobservatorium. Desweiteren wurde
an der Vorbereitung des JWST MIRI Instruments mitgearbeitet, denn besonders die damit
erreichbare beispiellose Abbildungsleistung wird wichtige Eigenschaften der untersuchten
Quellen aufdecken.
Multiwavelength observations of massive star-forming regions
selected in the far-infrared
The lack of observations of the earliest stages in high-mass star formation motivated
the selection of massive star-forming regions using the 170m ISOPHOT Serendipity
Survey. The evaluation of comprehensive follow-up observations, covering near-infrared to
(sub-)millimetre wavelengths, identi es massive clumps and characterises the star-forming
content in detail. The clumps comprise a large fraction of cold dusty material at tempera-
tures between 12 and 22 K, and several have masses of 100 M or more. Star formation has
initiated in every clump, as they harbour embedded sources detected in the mid-infrared
that represent low- to intermediate-mass young stellar objects. One case study uses mil-
limetre interferometry and discovers two compact cores of about 15 M embedded in a
massive clump. They are driving energetic out ows and may accrete at high rates, and
thus represent examples for the rst stages of forming intermediate- to high-mass stars.
The importance of high spatial resolution in the infrared for the study of star
formation drives dedicated observing programmes with the Herschel Space Observatory.
Furthermore, an active part in the preparation of the JWST MIRI instrument was taken
because in particular its unprecedented imaging capabilities will allow to constrain crucial
properties of the investigated sources.Contents
1 Introduction: The early phases of high-mass star formation 1
1.1 The formation of high-mass stars . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1.1 Monolithic collapse of massive, turbulent cores . . . . . . . . . . . . 3
1.1.2 Fragmentation of molecular clouds, cores and radiative feedback . . 5
1.1.3 Competitive accretion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.1.4 Disk accretion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.1.5 The evolution of protostars at high accretion rates . . . . . . . . . . 6
1.2 Observations of high-mass star formation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.2.1 Accreting protostars . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.2.2 Massive cores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.3 Motivation and outline of this thesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2 The ISOSS sample of massive star-forming regions 11
2.1 The ISOPHOT Serendipity Survey . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.1.1 Scienti c exploitation of the ISOSS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.2 The selection of cold and massive star-forming regions . . . . . . . . . . . . 13
2.3 Previous studies of ISOSS star-forming regions . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.3.1 ISOSS J20208+3559 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.3.2 J18364-0221 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.3.3 ISOSS J23053+5953 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.3.4 Prospects of further studies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3 An infrared-submillimetre study of ve ISOSS regions 17
3.1 Motivation and outline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.2 Observations, data reduction, and analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.2.1 Submillimetre continuum emission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.2.2 Near-infrared emission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.2.3 Mid- and far-infrared emission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.3 Observational results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.3.1 ISOSS J19357+1950 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.3.2 J19486+2556 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.3.3 ISOSS J20153+3453 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.3.4 J20298+3559 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.3.5 ISOSS J22478+6357 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.4 Spectral energy distributions and dust temperatures . . . . . . . . . . . . . 21
3.4.1 Far-infrared spectral slopes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.4.2 Clump dust temperatures and masses . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.5 Associated infrared sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.6 The clump population . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
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