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The Orion star formation complex - how 3D changes everything
Josefa Großschedl
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Geowissenschaften, Geographie und Astronomie
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Doktoratsstudium NAWI aus dem Bereich Naturwissenschaften (Dissertationsgebiet: Astronomie)
Betreuer*in
João Alves
DOI
10.25365/thesis.69430
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-11203.18501.242439-0
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Orion ist nicht nur das prominenteste Sternbild am nördlichen Winter Nachthimmel, sondern auch eine sehr aktive und komplexe Sternentstehungsregion. Diese Region beinhaltet gigantische Molekülwolken und einige Generationen von jungen Sternen im Alter von bis zu 20 Millionen Jahren. Orion ist ausserdem die am nächsten gelegene massive Sternentstehungsregion in der Sonnenumgebung (d ~ 1300 Lichtjahre), wo noch immer sehr massereiche Sterne entstehen, daher ist diese Region eine der am besten untersuchten Himmelsregionen. Trotzdem gibt es noch immer einige ungelöste Fragen: Warum ist das Gas in der Region überhaupt so verteilt wie wir es heute beobachten? Wurden alle jungen Sterne bereits von den existierenden Beobachtungen detektiert? Warum gibt es Variationen von bis zu einer Größenordnung bei der beobachteten Sternentstehungsrate innerhalb einer einzigen Molekülwolke, in OrionA? Gibt es einen kausalen Zusammenhang zwischen all den Wolken und Sternhaufen in Orion? Einige der Hauptgründe für diese noch offenen Fragen waren fehlende große und tiefe Beobachtungskampagnen im nahen Infrarot, sowie die noch unbekannte 3D Information. In der Vergangenheit waren wir begrenzt auf eine zweidimensionale (2D) Sicht der Sternentstehungsregionen aufgrund der enormen Distanzen zu diesen Objekten. Allerdings um die wahre Ausdehnung, Gestalt und Bewegung der Molekülwolken zu kennen, benötigt man die dritte fehlende Dimension (3D), somit die detaillierte Entfernung und auch die unbekannte Tangentialgeschwindigkeit der Wolken.
Meine Doktorarbeit beginnt mit einer Überarbeitung und Aktualisierung der bisher zur Verfügung stehenden Kataloge von jungen Sternen (Young Stellar Objects, YSOs) in der massivsten Molekülwolke in Orion, nämlich OrionA. Die Motivation für diese Studie ist die ESO-VISTA Beobachtungskampagne im nahen Infrarot, die VIenna Survey In OrioN (VISION). Diese lieferte genauere und tiefere infrarot Daten im Vergleich zu früheren ähnlichen Kampagnen. Der aktualisierte YSO Katalog ermöglichte die Untersuchung der projizierten 2D Verteilung der jungen Sterne relativ zu den dichteren Regionen der Molekülwolke. Diese Analyse zeigt, dass YSOs in unterschiedlichen Entwicklungsstadien eine etwas andere Verteilung relativ zur Verteilung des dichten Gases aufweisen, abhängig von ihrem evolutionären Status. Im nächsten Schritt wurde der selbe YSO Katalog mit der bahnbrechenden Astrometrie von Gaia kombiniert und die mittleren YSO Distanzen und Tangentialgeschwindigkeiten wurden stellvertretend für die Wolken vermessen. Dies erlaubt eine Rekonstruktion der 3D-Gestalt von OrionA. Somit konnte ich feststellen, dass die Orientierung der Wolke eine Inklination aufweist, somit ungefähr zweimal so lang ist als bisher angenommen (~90pc), mit einem seltsam "abgeknickten Kopf", welcher mit der Position des massiven Orion Nebula Cluster zusammenfällt. Diese neue Sicht auf OrionA ermöglicht neue Interpretationen der Sternentstehungsgeschichte in dieser Region. Zum Beispiel weist die 3D-Gestalt der Wolke darauf hin, dass externe Kräfte die Wolke beeinflusst haben könnten, was auch mit der erhöhten Sternentstehungsrate im Kopf der Wolke zusammenpasst.
Um diese Hypothese besser zu untersuchen, habe ich weiters die 3D Bewegungen von fünf unterschiedlichen Molekülwolken im gesamten südlichen Orion Wolkenkomplex untersucht. Erstaunlicherweise konnte ich feststellen, dass all die untersuchten Molekülwolken in Orion eine kohärente expandierende Bewegung auf einer Skala von etwa 100 pc aufweisen. Diese Expansion könnte mit gewaltigen externen Ereignissen zusammenhängen, welche wir zusammenfassend das Orion-BB Ereignis nennen (Orion big-blast event) und welches vor ungefähr sechs Millionen Jahren stattgefunden haben könnte. Dieses Ereignis muss so kraftvoll gewesen sein, sodass es in der Lage war das Gas in den umliegenden Molekülwolken aufzuschieben und zu formen. Vermutlich resultiert das Orion-BB Ereignis aus einer Kombination von unterschiedlichen Feedbackmechanismen (Photoionisation, Winde, Supernovae) früherer Generationen sehr massereicher Sterne. Damit war dieses Ereignis vermutlich auch der Auslöser der erhöhten beobachteten Sternentstehungsrate in gewissen Teilen des Wolkenkomplexes. Die Resultate meiner Doktorarbeit ermöglichen eine neue Sichtweise auf Orion, worin die Kräfte von früheren Generationen massereicher Sterne eine fundamentale Rolle spielen. Die gewonnenen Resultate validieren auch die verwendete Methode, die darin besteht die 3D Positionen und Bewegungen der Wolken mit Hilfe der jungen Sterne abzuschätzen.
Abstract
(Englisch)
Orion is the prominent constellation in the northern winter night sky, containing a rich, complex, and very active star-forming region, comprising giant molecular clouds (GMCs) and generations of young stars with ages up to 20 Myr. Additionally, Orion contains the closest massive star-forming region to Earth (d ~ 1300 light years), making it one of the best studied regions in the sky. Nevertheless, many fundamental questions remain: Why is the molecular gas distributed the way it is? How detailed do we know the young stellar population? Why does the star formation rate (SFR) vary by an order of magnitude inside the same cloud, namely OrionA? Is there a causal relation between the different clouds and stellar groups in Orion? The major observational handicaps in the past have been the lack of large deep near-infrared surveys, and critically, the lack of three-dimensional (3D) information. However, only the third dimension will bring an unambiguous understanding of location, extent, shape, and space motion of the observed gas and stellar structures, and a more complete understanding on how nature forms stars.
I started the thesis by revisiting and updating previously published catalogs of young stellar objects (YSOs) for the OrionA GMC, using the seeing limited near-infrared ESO-VISTA survey, the VIenna Survey In OrioN (VISION). The updated YSO catalog enabled a study of the 2D distribution of the YSOs relative to the dense parts of the Orion A cloud, revealing that different YSO classes show different projected distributions relative to regions of high dust column-density, depending on their evolutionary class. The YSO catalog was then combined with the groundbreaking Gaia astrometry and the average parallaxes and proper motions of the YSOs were used as proxies for cloud 3D properties, on the basis that these YSOs are close to their parental molecular clouds and that they share on average the same radial velocities as the gas. The YSO average parallaxes revealed the true 3D shape of the Orion A GMC. I found that the cloud is about 70deg inclined relative to the plane of the sky, hence about twice as long (~90 pc) as previously assumed. Moreover, it has a peculiar "bent head", which is the location of the massive Orion Nebula Cluster. This new view of the OrionA cloud added new puzzle pieces to our understanding of the region, suggesting the existence of an external feedback source that could have shaped the head of OrionA and additionally enhanced the SFR and triggered massive star formation.
To test the hypothesis of a feedback driven star formation history, I studied the 3D motions of the whole southern Orion molecular cloud complex. I found that, surprisingly, the studied molecular clouds show a coherent expanding motion at the 100-pc scale. One possible explanation for this expansion is the existence of a powerful feedback event, named Orion-BB event (Orion big-blast event), that likely took place about 6 Myr ago. We suggest that this event shaped and pushed the gas and triggered most of the current star formation in the complex. The observational results in this thesis bring a new view of the Orion complex, one where the feedback of previous generations of massive stars (ionizing radiation, winds, supernovae) likely played a fundamental role in shaping the gas distribution and influencing the SFR. The results also validate a technique where a careful selection of YSOs can be used as a proxy for the distance and proper motion of their parental molecular cloud.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
star formation molecular clouds young stellar objects infrared surveys astrometry Gaia feedback triggered star formation 6D phase space
Schlagwörter
(Deutsch)
Sternentstehung Molekülwolken junge Sterne Infrarot Daten Astrometrie Gaia Feedback getriggerte Sternentstehung 6D Phasenraum
Autor*innen
Josefa Großschedl
Haupttitel (Englisch)
The Orion star formation complex - how 3D changes everything
Paralleltitel (Deutsch)
Die Sternentstehungsregion Orion - wie 3D unser Verständnis verändert
Publikationsjahr
2021
Umfangsangabe
xi, 244 Seiten : Illustrationen, Diagramme, Karten
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Anthony Brown ,
Petrus Martinus van de Ven
AC Nummer
AC16417847
Utheses ID
60443
Studienkennzahl
UA | 796 | 605 | 413 |