Mass functions and mass segregation in young starburst clusters [Elektronische Ressource] / presented by Andrea Stolte

Sujets

• Physik
• Astronomie

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• Publié par: ruprecht-karls-universitat_heidelberg
• Publié le: 01 janvier 2003
• Nombre de lectures: 17
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 18 Mo

Extrait

Dissertation
submitted to the
Combined Faculties for the Natural Sciences and for Mathematics
of the Ruperto-Carola University of Heidelberg, Germany
for the degree of
Doctor of Natural Sciences
presented by
Diplom-Physicist Andrea Stolte
born in Duisburg
thOral examination 25 June 2003Mass Functions and Mass Segregation
in Young Starburst Clusters
Referees: Prof. Dr. Hans-Walter Rix
Prof. Dr. Immo AppenzellerThesis Abstract
The Milky Way starburst clusters Arches in the Galactic Center region and NGC3603 in the Carina
spiralarmarestudiedwiththeaimtogaindeeperinsightintothestellarmassdistributioninstarburst
clusters. The dense stellar population in both clusters is resolved in unprecedented detail with high
angular resolution, near-infrared instruments. In the case of the Arches cluster, difiraction-limited,
adaptive optics observations are analysed, and the achievements and limitations of ground-based vs.
space-based difiraction-limited imaging are revealed by comparison with HST/NICMOS data. In the
case of NGC3603, seeing-limited JHKL photometry is used to derive colour-excess fractions, and is
complemented by space-based Hfi data, both serving as tracers for circumstellar disks. Disk survival
in starburst clusters is discussed. The present-day mass function (MF) of both clusters is deduced
from colour-magnitude diagrams. Radial variations in the MFs reveal a heavily mass-segregated
core in both starburst clusters. Dynamical timescales are estimated and interpreted with respect
to primordial and dynamical segregation. The implications for massive star and cluster formation
scenarios are discussed. Evidence for a low-mass cut-ofi is observed in the Arches MF, but not in
NGC3603, indicatingareducedformatione–ciencyforM• 10M starsintheGalacticCenter. Thisfl
environmental difierence has strong implications for the formation of stellar populations in galactic
nuclei and starburst galaxies.
˜Ubersicht der Dissertationsinhalte
Die Galaktischen Starburst Sternhaufen Arches im Galaktischen Zentrum und NGC3603 im Carina
Spiralarm wurden mit dem Ziel untersucht, ein tieferes Verst˜andnis fur˜ die stellar Massenverteilung
in Starburst Haufen zu gewinnen. Die dichte, stellare Population in beiden Sternhaufen konnte
mithilfe hochau ˜osender nah-infrarot Instrumente in einzigartigem Detail aufgel˜ost werden. Im Falle
des Arches Sternhaufens wurden beugungsbegrenzte, mit adaptiver Optik gewonnene Beobachtun-
gen im Hinblick auf die M˜oglichkeiten bodengebundener, beugungsbegrenzter Aufnahmen analysiert,
und technische Grenzen im Vergleich zu Weltraumbeobachtungen mit HST/NICMOS aufgezeigt. Im
Falle von NGC3603 wurden Infrarot-Farbexzesse aus JHKL Aufnahmen bestimmt, und gemein-
˜sam mit beugungsbegrenzten HST Hfi Daten verwendet um die Existenz und Uberlebensrate von
zirkumstellaren Scheiben in Starburst Haufen nachzuweisen. Die aktuelle Massenfunktion (MF) der
Starburst Haufen wurde aus Farb-Helligkeits-Diagrammen hergeleitet. Dynamische Zeitskalen wurden
abgesch˜atzt, die Efiekte primordialer oder dynamischer Massensegregation werden diskutiert, und die
Folgen fur˜ Entstehungsmodelle massereicher Sterne und Sternhaufen werden angesprochen. Evidenz
fur˜ einen Abbruch der MF unterhalb von M • 10M wird im Arches Sternhaufen beobachtet, je-fl
doch nicht in NGC3603, was auf eine reduzierte Entstehungsrate von Sternen niedriger Masse nahe
des Galaktischen Zentrums hindeutet. Dieser Ein u… der Sternentstehungsumgebung auf die MF hat
signiflkante Bedeutung fur˜ Sternentstehung in Galaxienzentren und Starburst Galaxien.Mass Functions and Mass Segregation in Young Starburst Clusters
NGC 3603
Arches
Sun
Orion
Portrait of the Milky Way - Painting by Jon Lomberg
Astronomical star and cluster data were used to obtain this view of the Milky Way’s spiral structure.
The position of the Sun and the Orion star-forming region are indicated. The Arches cluster close to
the Galactic Center and NGC 3603 in the tangent point of the Carina spiral arm are shown as
inserts (not to scale).dedicated to Rai Weiss
Astronomy is like leaf counting
Rai Weiss
Although the work was often as laborious and painstaking as leaf-counting,
I hope that even a hard-core physicist as Rai Weiss
can flnd his interesting bits and pieces in this thesis.Contents
1 Introduction 1
2 From Massive Star Forming Regions to Mass Functions 4
2.1e Star Forming Regions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.2 Massive Star Formation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.3 The Stellar Mass Function - a short history . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.4 Milky Way Starburst Clusters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.4.1 Arches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.4.2 NGC 3603 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
3 Adaptive Optics Observations and Technical Analysis 15
3.1 Introduction to Adaptive Optics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3.1.1 Characterisation of atmospheric perturbations . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3.1.2 of AO images . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.1.3 Strehl ratio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.1.4 Isoplanatic Angle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.2 Gemini/Hokupa’a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.2.1 Observations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.2.2 HST/NICMOS data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.3 Luminosity Functions and incompleteness efiects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.3.1 Integrated luminosity function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.3.2 Radial variation of the luminosity function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.4 NAOS/CONICA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.4.1 VLT/NAOS-CONICA observations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.4.2 Data Reduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.5 Image Quality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.5.1 Strehl ratio vs. ux ratio inside the PSF kernel . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.5.2 Detectability of individual sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.6 The Efiects of Oversampling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.7 Deconvolution and higher Strehl images as coordinate input . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.7.1 H-band low vs. high Strehl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.7.2 Image deconvolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.8 Photometric Residuals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.9 NAOS-CONICA luminosity functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.10 Radial variations in the NACO LF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.11 Colour-magnitude diagrams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
3.12 Summary of the technical analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
iii CONTENTS
4 The Arches Cluster 62
4.1 Photometric results from Gemini/Hokupa’a data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4.1.1 Radial colour gradient . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4.1.2 Extinction maps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.1.3 Colour-magnitude diagrams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.1.4 HST/NICMOS colour-colour diagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.2 Implications for the mass function derivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
5 The Mass Function of the Arches cluster 70
5.1 The mass function from Gemini/Hokupa’a data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
5.1.1 Integrated mass function. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
5.1.2 Efiects of the chosen isochrone, bin size, and metallicity . . . . . . . . . . . . . 72
5.1.3 Radial variation in the mass function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
5.1.4 Formation locus of massive stars . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
5.1.5 Comparison with cluster formation models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
5.2 The Arches mass function derived from NACO data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
5.2.1 Integrated mass function. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
5.2.2 Radial variations in the NACO mass function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
5.2.3 Combining difierent binnings - a step towards binning independence . . . . . . 83
5.2.4 Away from binning - Cumulative Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
5.2.5 Summary of Arches results from NACO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
5.2.6 Dyamical parameters revised from NACO data . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
6 NGC 3603 96
6.1 NGC 3603 ISAAC data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .