Mid-infrared interferometric observations of the high-mass protostellar candidate NGC 3603 IRS 9A [Elektronische Ressource] / put forward by Stefan Vehoff

Stefan Vehoff

Sujets

• Astronomie

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• Publié par: ruprecht-karls-universitat_heidelberg
• Publié le: 01 janvier 2009
• Nombre de lectures: 27
• Langue: Deutsch
• Poids de l'ouvrage: 3 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
Put forward by
Dipl.-Phys. Stefan Vehoff
born in Arnsberg (Germany)
thOral examination: 29 April, 2009Mid-infrared interferometric observations of the
high-mass protostellar candidate NGC 3603 IRS 9A
Referees: Prof. Dr. Rainer Wehrse
Prof. Dr. Wolfgang J. DuschlZusammenfassung
Interferometrische Beobachtungen des massereichen potentiellen
Protosterns NGC 3603 IRS 9A im mittleren Infrarot
Wir benutzen Infrarotbeobachtungen der größten Teleskope, Interferometer und Welt-
raumteleskope, um der Frage der Entstehung von massereichen Sternen nachzugehen.
Das Ziel dieser Beobachtungen ist IRS 9A, ein vielversprechendes Objekt, das wahr-
scheinlich der seltenen Gruppe der sehr jungen und Protosterne angehört.
Im ersten Teil dieser Arbeit beschreiben wir die unmittelbaren Ergebnisse der einzelnen
Beobachtungen, während wir im zweiten Teil versuchen, ein Modell für IRS 9A und seine
direkte Umgebung zu konstruieren, das diese Beobachtungen nachahmen kann. Wir be-
nutzen außerdem ein öffentlich zugängliches Netz von spektralen Energieverteilungen,
das für eine große Anzahl von protostellaren Objekten berechnet wurde.
Dabei stellen wir fest, dass das Erscheinungsbild von IRS 9A im mittleren Infrarot
weder mit einfachen geometrischen Helligkeitsverteilungen, noch mit eindimensionalen
Modellen der Dichtestruktur erklärt werden kann. Mittels Strahlungstransportmodellen,
die aus zirkumstellaren Scheiben und Hüllen bestehen, sind wir jedoch in der Lage, alle
unsere Beobachtungsdaten mit einem einzigen Modell zu erklären. Darüber hinaus zeigt
der Vergleich mit dem Netz von protostellaren Objekten, dass es sich bei IRS 9A tatsäch-
lich um einen massereichen Protostern handelt. Damit unterstützt unsere Untersuchung
die Theorie, dass massereiche Sterne in einer ähnlichen Art und Weise entstehen wie
Sterne mit geringer und mittlerer Masse.
Abstract
Mid-infrared interferometric observations of the
high-mass protostellar candidate NGC 3603 IRS 9A
We investigate the question of how high-mass stars form by combining mid-infrared ob-
servations from the worlds largest ground- and space-based telescopes and interferome-
ters. The target of this study is IRS 9A, a promising candidate for the rare class of very
young, high-mass protostars. In the first part of this work we present the immediate results
and implications of the individual observations, and in the second part we try to devise a
model for IRS 9A and its circumstellar structure that can account for these observations.
We also make use of a publicly available grid of spectral energy distributions which has
been calculated for a large number of protostellar objects.
We find that neither geometrical models of the brightness distribution nor simple one-
dimensional models for the density structure can explain IRS 9A’s appearance in the mid-
infrared. However, using radiative transfer models that comprise circumstellar disks and
envelopes, we are able to simultaneously reproduce all our observational data. Moreover,
the comparison with the grid of protostellar objects independently confirms IRS 9A to be
a high-mass protostar. Hence our study provides further support to the idea that high-mass
stars form in a similar manner to their low- and intermediate-mass counterparts.Contents
1 Introduction 1
1.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2 The formation of massive stars . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.3 The infrared source NGC 3603 IRS 9A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.3.1 The giant H II region NGC 3603 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.3.2 The IRS 9 sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.3.3 IRS 9A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2 Optical interferometry 11
2.1 Angular resolution – why interferometry? . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2 History of the field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.3 Basic principles of optical interferometry . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.4 Visibility and the van Cittert-Zernike theorem . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.5 Image-plane and pupil-plane interferometers . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.6 Non-monochromatic light – finite bandwidth . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.7 Extended sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.8 Atmospheric turbulence and phases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.9 The visibility in a few simple cases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.9.1 Point source . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.9.2 Gaussian . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.9.3 Uniform disk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.9.4 Binary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.9.5 Ring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.9.6 Combinations of models: disks with an inner hole and accretion
disks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.10 Observing in the infrared . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.10.1 Transmittance of the atmosphere . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.10.2 Background emission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.10.3 Chopping and nodding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.11 The VLT Interferometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.11.1 Baselines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.11.2 Delay lines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.11.3 MACAO and FINITO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
iContents
3 MIDI 39
3.1 Optical layout . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.2 Detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.3 Observing procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4 Observations and data reduction I – MIDI 45
4.1 The MIA+EWS data reduction package . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.1.1 MIA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4.1.2 EWS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.2 Acquisition images . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.2.1 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.3 Photometric observations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.3.1 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.4 Interferometric observations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.4.1 Visibilities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.4.2 Correlated flux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.4.3 Comparison and results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.4.4 Differential phase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.5 Interim summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
5 Observations and data reduction II – Gemini South and Spitzer 65
5.1 Aperture masking observations at . . . . . . . . . . . . . . 65
5.2 Spitzer /IRS data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
5.2.1 Spectral index, emission lines and PAH features . . . . . . . . . . 69
6 Modelling 71
6.1 Simple brightness distributions, binary and accretion disk models . . . . . 71
6.1.1 Gaussian, uniform disk, ring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
6.1.2 Binary and accretion disk models . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
6.1.3 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
6.2 Radiative transfer models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
6.2.1 DUSTY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
6.2.1.1 Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
6.2.1.2 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
6.2.2 MC3D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
6.2.2.1 Model geometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
6.2.2.2 Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
6.2.2.3 Results I – Disk models . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
6.2.2.4 II – Disk + shell model . . . . . . . . . . . . . 89
6.3 Fitting the spectra to a large grid of young stellar object SEDs . . . . . . 92
6.3.1 Spitzer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
6.3.2 MIDI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
iiContents
6.3.3 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
7 Summary and discussion 99
8 Conclusions 103
A Observing log 105
B Transmission curves of MIDI filters 109
C List of acronyms, units and constants 111
Bibliography 113
Acknowledgements 121
iiiContents
iv1 Introduction
Stars are the building blocks of the Universe and play a key role in most of the important
processes that determine its structure and appearance.