An optical study of young stellar clusters [Elektronische Ressource] / put vorward by Da Rio Nicola

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• Astronomie

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• Publié par: ruprecht-karls-universitat_heidelberg
• Publié le: 01 janvier 2010
• Nombre de lectures: 14
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 10 Mo

Extrait

An Optical Study
of
Young Stellar Clusters
Nicola Da Rio
Max-Planck-Institut fur AstronomieDissertation in Astronomy
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
Master Phys. Da Rio Nicola
born in: Udine (Italy)
thOral examination: December 13 , 2010An Optical Study
of
Young Stellar Clusters
Referees: Prof. Dr. Thomas Henning
Prof. Dr. Ralf KlessenAbstract
In the first part of this thesis a new analysis of the Orion Nebula Cluster, one of the
most studied star-forming regions in the Galaxy, is presented. Based on multi-band
optical photometry and spectroscopy obtained with the Wide-Field Imager (WFI) at the
ESO/MPI 2.2-m telescope at La Silla Observatory, I study the systematic effects that
bias the derivation of stellar parameters of pre-main sequence (PMS) stars. I derive the
new H-R diagram of the entire region, and assign masses and ages to all the members.
The age is found to be∼ 2−3 Myr, older than previously estimated. I also confirm the
presence of an age spread, and show how the found mass-age correlation can
be affected by the sample incompleteness and uncertainties in the evolutionary models.
In the second part of this thesis, I carry out a research on the low-mass stellar pop-
ulation of the young stellar cluster LH 95 in the Large Magellanic Cloud, based on deep
optical photometry with the Advanced Camera for Surveys (ACS) onboard the Hubble
Space Telescope; the deepest ever obtained toward this galaxy, down to V ≃ 28 mag. I
isolatethePMSclusterpopulation,andderivethefirstextragalacticInitialMassFunction
(IMF) down to the subsolar regime. It shows a flattening below 1 M , in agreement with
⊙
theGalacticIMFonceresultsarecorrectedforunresolvedbinarity. Istudytheagedistri-
bution of LH 95, introducing a statistical method to derive average age and age-spreads
accounting simultaneously for unresolved binarity, differential extinction, variability, ac-
cretion and crowding of PMS stars. The best-fit solution for LH 95 suggests an age of
∼ 4 Myr with a gaussian age spread of σ∼ 1.2 Myr. Finally, I study the early-type high-
mass stellar population of the cluster, through ground based spectroscopy obtained with
the Fiber-fed Extended Range Optical Spectrograph (FEROS) at the ESO/MPI 2.2-m
telescopeatLaSillaObservatory,andphotometryfromthe1-mtelescopeatSidingSpring
Observatory. The derived stellar masses are combined with my results on the low-mass
IMF of the cluster for the study of the most complete extragalactic IMF ever performed.
ivZusammenfassung
Im ersten Teil dieser Dissertation wird eine neue Analyse des Orion Nebula Cluster, eine
der am meisten studierten Sternentstehungregionen der Galaxis, pr¨asentiert. Basierend
auf optischer Photometrie und Spektroskopie in verschiedenen B¨andern, aufgenommen
mit dem Wide-Field Imager (WFI) am ESO/MPI 2.2-m Teleskop des La Silla Observa-
toriums, untersuche ich die systematischen Effekte, die die Ableitung stellarer Param-
eter von Vorhauptreihensternen (PMS) beeinflussen. Ich leite ein neues H-R Diagram
der gesamten Region her und ordne allen Mitgliedern Masse und Alter zu. Das Alter
wurde auf ∼> 2−3 Myr bestimmt, ¨alter als zuvor angenommen. Ich best¨atige die Ex-
istenz einer Altersstreuung und zeige, wie die vorherige Masse-Alter-Korrelation durch
Unvollst¨andigkeit des Samples und Unsicherheiten in den Entwicklungsmodellen beein-
flusst werden kann.
Im zweiten Teil der Dissertation fuhre¨ ich eine Untersuchung der massearmen Ster-
nenpopulation des jungen Sternhaufen LH 95 in der Großen Magellanschen Wolke durch.
Diese basiert auf tiefer optischer Photometrie mit der Advanced Camera for Surveys
(ACS) an Bord des Hubble Space Telescope, die tiefste bisher erreichte innerhalb der
Großen Magellanschen Wolk, mit Helligkeiten bis zu V ≃ 28 mag. Ich isoliere die PMS-
PopulationdesSternhaufensundleitedieersteextragalaktischeAnfangsmassenverteilung
(IMF) ab, die bis in den subsolaren Bereich reicht. Diese zeigt eine Abflachung unterhalb
¨von 1 M , in Ubereinstimmung mit der galaktischen IMF sobald die Ergebnisse fur¨ nicht
⊙
aufgel¨oste Mehrk¨orpersysteme korrigiert wurden. Ich untersuche die Altersverteilung von
LH 95 und fuhre¨ dabei eine statistische Methode ein, um Durchschnittsalter und Al-
tersstreuungenabzuleiten, diesimultannichtaufgel¨osteMehrk¨orpersysteme, differentielle
Extinktion, Variabilit¨at, sowie Akkretion und Crowding der PMS-Sterne einbezieht. Die
am besten passende L¨osung fur¨ LH 95aßtl¨ auf ein Alter von ∼ 4 Myr schliessen mit
einen Gauß‘schen Altersstreuung von σ ∼ 1.2 Myr. Abschließend untersuche ich die
massereicheSternpopulation desSternhaufen mit HilfevonerdgebundenerSpectroskopie,
die mit dem Fiber-fed Extended Range Optical Spectrograph (FEROS) am ESO/MPI
2.2-mTeleskopsdesLa SillaObservatoriumsaufgenommen wurde, sowiePhotometriedes
1-m Teleskops des Siding Spring Observatoriums. Die abgeleiteten Massen der Sterne
sind, kombiniert mit den Ergebnissen der Untersuchung der IMF der massearmen
des Sternhaufens, die kompletteste Untersuchung einer extragalaktischen IMF, die bisher
durchgefuhrt¨ wurde.
vAi miei genitori e alla nonna Olga
viTable of Contents
Table of Contents vii
Introduction 1
I The Orion Nebula Cluster 6
1 A Multi-Color Optical Survey of the ONC - The New HR diagram 7
1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.2 The observations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.3 Data reduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.3.1 Images and source catalogue . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.3.2 Absolute Calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.4 The Source Catalog . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.5 The TiO spectrophotometric index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.5.1 The Hα photometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
1.6 Analysis of the photometric colors of the ONC . . . . . . . . . . . . . . . . 45
1.6.1 Synthetic photometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
1.6.2 Constraining the intrinsic colors for ONC stars . . . . . . . . . . . . 51
1.6.3 Bolometric corrections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
1.6.4 Extinction law. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
1.6.5 Mass accretion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
1.7 Analysis of stars with known spectral type . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
1.7.1 Spectral types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
1.7.2 Analysis of completeness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
1.7.3 Spectral type-temperature relations . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
1.7.4 Derivation of reddening and accretion . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
1.7.5 Systematic effects in deriving A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73V
1.8 The H-R diagram of the ONC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
1.8.1 Completeness of the HRD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
1.8.2 Distribution in the mass-age plane . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
1.8.3 The age distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
1.8.4 The mass function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
viiII The Young Cluster LH 95 in the Large Magellanic Cloud 93
2 The Complete IMF Down to the Subsolar Regime in the Large Magel-
lanic Cloud with HST/ACS Observations 94
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
2.2 Photometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
2.2.1 Completeness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
2.3 The Pre-Main Sequence Population of LH 95 . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
2.3.1 Field subtraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
2.3.2 Topography of the PMS Stars . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
2.3.3 LH 95 Central region . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
2.3.4 Interstellar Extinction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
2.4 The PMS models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
2.5 The Initial Mass Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
2.5.1 Construction of the IMF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
2.5.2 IMF model fitting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
2.6 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
2.6.1 Stellar Binarity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
2.6.2 Metallicity effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
2.6.3 Variability of the IMF within LH 95 . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
3 A New Method for the Assessment of Age and Age Spread of Pre-Main
Sequence Stars in Young Stellar Associations of the Magellanic Clouds130
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
3