Nederlandse Samenvatting
Stervorming De ontelbare sterren die men elke nacht aan de hemel ziet geven een verkeerde indruk: de interstellaire ruimte is heel erg leeg en verandert voortdurend doordat nieuwe sterren worden geboren en oude sterren uitdoven. Studies over hoe sterren, zoals onze eigen zon, gevormd worden is een van de meest actieve en boeiende onderwerpen van het huidige sterrenkundige onderzoek. Meer dan tienduizend artikelen zijn gepubliceerd in de afgelopen tien jaar over verschillende aspecten van stervorming – van belang voor de vorming van de eerste structuren in het heelal tot planeetvorming. Stervorming vindt alleen plaats in kleine gebieden van de ruimte, de zogenaamde “moleculaire wolken” – de kraamkamers van jonge sterren. In deze gebieden zijn slechts een paar honderd tot duizend moleculen per kubieke centimeter met heel lage temperaturen van 10 tot 20 Kelvin (ongeveer -260 ◦ C) aanwezig. Ter vergelijking: de lucht op aarde heeft een dichtheid van 10 19 moleculen per kubieke centimeter. Ongeveer 1% van de massa van moleculaire wolken bestaat uit kleine stofdeeltjes met groottes van ∼ 0.00001 millimeter. De kleinere kernen (“klompjes”) binnen de moleculaire wolken zijn belangrijk: in kleine klompjes met groottes van tienduizend tot honderdduizend astronomische eenheid, AU,1 kunnen de dichtheden wel oplopen tot tienduizend moleculen per kubieke centimeter. Deze kernen kunnen onstabiel worden en ineenstorten onder hun eigen zwaartekracht of door externe factoren. In het centrum kunnen zich dan sterren vormen. Het gas en de stofdeeltjes vallen niet direct op de ster: een deel valt op een schijf rondom de ster en een deel blijft achter in een omhulsel, dat de meeste straling van de ster en schijf dempt. Figuur 1 toont een schema van zo’n jonge ster. In de 10,000-100,000 jaren volgend op de vorming van de protoster, blijft het gas en stof op de centrale ster en schijf vallen en verdwijnt geleidelijk het omhulsel. De jonge ster blaast in deze vroege periodes sterke winden en drijft tweezijdige straalstromen die het omhulsel helpen te verdrijven. 1 1 astronomische eenheid (astronomical unit, AU) is de afstand tussen de zon en de aarde – ongeveer 150,000,000 km
283
284
Nederlandse Samenvatting
Figuur 1: Een typische jonge protoster. Het object bestaat uit een centrale ster omgeven door een ongeveer 100 AU. circumstellaire schijf, beide ingebed in een groter, 10,000 AU, omhulsel. Deze figuur is in hoge mate versimpeld: het bevat niet de aanwezigheid van een tweezijdige straalstroom die de meeste protosterren hebben en toont een simpele eendimensionale geometrie, terwijl het omhulsel in werkelijkheid waarschijnlijk is afgeplat door de effecten van bijv. rotatie en magnetische velden.
Astrochemie Het begrijpen van de scheikunde van het gas en de stof in deze vroege stadia is een belangrijk aspect van ons beeld van stervorming. De fysische omstandigheden zoals de dichtheid en temperatuur kunnen drastisch veranderen tijdens deze perioden. Het opwarmen van het omhulsel door de jonge ster verhoogt de temperatuur tot een paar honderd K in de binnenste gebieden terwijl het verdrijven van het omhulsel de dichtheid verlaagt. De dichtheid en temperatuur be¨ınvloeden welke scheikundige reacties mogelijk zijn in het gas en of en hoe moleculen kunnen vastvriezen op de stofdeeltjes. De chemie in deze vroege stadia is bijzonder interessant aangezien het de samenstelling van het materiaal dat op de circumstellaire schijf valt bepaalt en daarmee de eigenschappen van planeten die uit de schijf kunnen ontstaan. Het interpreteren van waarnemingen van stervormingsgebieden hangt ook af van het begrijpen van de chemie. Het gas rondom lage massa protosterren kan bijvoorbeeld door waarnemingen van moleculaire lijnen in het millimeter golflengtegebied bestudeerd worden en de stofdeeltjes kunnen in dezelfde gebieden worden geobserveerd door de warmtestraling te meten die ze uitzen-
Nederlandse Samenvatting
285
den. Via de lijnprofielen kunnen de snelheden van het invallende gas worden gemeten, maar ook hiervoor is het belangrijk de dichtheid, temperatuur en chemie te kennen om te bepalen waar de straling word uitgezonden.
Dit proefschrift Dit proefschrift behandelt de fysische and chemische eigenschappen van lage massa jonge protosterren. De belangrijkste punten van dit proefschrift zijn: 1. Het bepalen van de fysische en chemische structuren van pasgevormde protosterren. 2. Het bepalen van observationele kenmerken van de verschillende gebieden van het omhulsel en de circumstellaire schijf. 3. Het testen van chemische netwerken in protostellaire gebieden, in het bijzonder hoe het gas en de stofdeeltjes met elkaar wisselwerken, en 4. Of en hoe het mogelijk is de chemie te gebruiken om de leeftijden van lage massa protosterren vast te stellen. Een groot deel van het onderzoek in dit proefschrift is gebaseerd op een studie van 18 zulke objecten, die allemaal omhuld zijn door koud gas en stof. Eerdere studies behandelden slechts een paar individuele objecten of een klein aantal moleculen. Het werk in dit proefschrift bestaat uit drie nauwverwante delen. Hoofdstukken 2–4 beschrijven een studie van 18 lage massa pre- en protostellaire objecten met behulp van telescopen met een enkelvoudige schotel. Met behulp van modellen zijn de algemene fysische en chemische structuren van de objecten bepaald. Hoofdstukken 5–7 passen de gedetaileerde modellen toe op de interpretatie van hogere resolutie interferometer waarnemingen voor enkele van de objecten. Hoofdstuk 7, samen met hoodstukken 8 en 9, behandelt enkele van de belangrijke chemische effecten gerelateerd aan schokken en opwarming van het materiaal rondom lage massa protosterren. De belangrijkste conclusies van dit proefschrift zijn: •
De stofdeeltjes in de omhulsels van protosterren stralen bij (sub)millimeter golflengten. De intensiteit van de straling hangt af van de hoeveelheid stof en de temperatuur daarvan. De temperatuur en dichtheid in de omhulsels kunnen daarmee worden bepaald voor elk object door vergelijking tussen de waarnemingen en de gedetailleerde modellen voor de stralingstransport door het omhulsel.
•
De waarnemingen met enkelvoudige schotels hebben echter een lage ruimtelijke resolutie en zijn alleen gevoelig voor materiaal op afstanden van een paar duizend tot ongeveer tienduizend AU van de centrale ster. Waarnemingen met interferometers op hoge resolutie laten zien dat de modellen voor de omhulsels kunnen worden geextrapoleerd tot afstanden van ongeveer 500 AU en daardoor de eigenschappen van het materiaal dichter bij de centrale ster kunnen bepalen. De interferometer data (in combinatie met waarnemingen op infrarode golflengten) tonen aan dat circumstellaire schijven al gevormd zijn rondom sommige – maar niet alle – protosterren.
286
Nederlandse Samenvatting
•
Door het grote aantal moleculen en objecten dat bestudeerd is, is het mogelijk de relaties tussen de moleculen in de protostellaire omhulsels statistisch vast te stellen. De waarnemingen met millimeter interferometers kunnen gebruikt worden om de ruimtelijke variatie van de chemie voor de individuele objecten in kaart brengen. De lijn waarnemingen tonen aan dat moleculen zoals CO uitvriezen op stofdeeltjes bij lage temperaturen en dat dit heel belangrijk is voor de chemie van andere moleculen.
•
Het uitvriezen van moleculen is in hoge mate afhankelijk van de dichtheid: als de dichtheid laag is, is de kans dat een molecuul botst met een stofdeeltje en daarop uitvriest erg klein waardoor de tijdschaal langer is. De relatie tussen het uitvriezen en de dichtheid in het omhulsel kan daarom gebruikt worden als een “protostellaire klok” in deze vroege tijden.
•
De aanwezigheid van bipolaire straalstromen kan de fysische en chemische structuur van de lage massa protosterren dramatisch be¨ınvloeden. Zo worden bijvoorbeeld de abundanties van sommige moleculen verhoogd wanneer het materiaal in het omhulsel wordt geschokt. De abundanties van andere moleculen worden verhoogd door chemische reacties veroorzaakt door UV straling van het centrale ster-schijf system dat kan ontsnappen uit de gaten die door de straalstromen gevormd zijn.
In de toekomst De toekomst ziet er heel goed uit voor dit onderzoeksgebied. Op infrarode golflengten zullen telescopen zoals de grote 8 meter telescopen (VLT, Keck, Subaru, Gemini) en ruimte-telescopen zoals de Spitzer Space Telescope en, verder in de toekomst, de James Webb Space Telescope hoge gevoeligheid hebben waardoor het mogelijk wordt om het ijs in zelfs de meest omhulde protosterren te meten evenals de warmste stof dicht bij de centrale protoster. Voor waarnemingen met van gas en stof bij millimeter golflengten met hoge spati¨ele resolutie zijn een aantal telescopen gepland. Een aantal voorbeelden zijn de (sub)millimeter interferometers zoals de SubMillimeter Array (SMA; net begonnen met waarnemingen), the Combined Array for Research in Millimeter Wave Astronomy (CARMA; voor eind 2005 gepland) en waarschijnlijk de belangrijkste, de 64 antenna Atacama Large Millimeter Array (ALMA; voor eind 2007 gepland). Deze ontwikkelingen zullen onze interpretatie en begrip van circumstellaire omgevingen van jonge (proto)sterren verhogen. In deze context dient het werk in dit proefschrift ook als een belangrijke ontwikkeling van de aanpak van de waarnemingen en het modelleren van protosterren, en als een verkenning voor toekomstige studies van deze cruciale perioden in de vorming van lage massa sterren zoals onze zon.
Curriculum Vitae It was a cold and dark October night in 1975... at least October nights usually are cold and dark in Copenhagen, Denmark... when I was born. I grew up on Amager, the small island just a few blocks east of the central Town Hall square of Copenhagen and Tivoli - and otherwise most well-known for harboring Copenhagen Airport, being the anchor point for a bridge to Sweden and having a disproportionate number of minor league football clubs. Being motivated by my parents, I early on found a strong interest for music and science which more or less has determined my subsequent choice of studies. I attended high-school at Sankt Annæ Gymnasium, a school with a strong musical program and active social life from which I graduated in 1994. I immediately thereafter enrolled at Copenhagen University studying a combination of physics, mathematics and astronomy from 1994 to 2000 obtaining my B.Sc. degree in 1998 and M.Sc. degree in 2000. A few days after finishing my M.Sc. studies I moved from Copenhagen to Leiden in the Netherlands where I took up the Ph.D. study, which eventually has resulted in this thesis. As part of this research I made a number of trips to Hawaii, California, La Silla in Chile and Narrabri in Australia where I (besides playing tourist) had the chance to observe with the James Clerk Maxwell Telescope (five times), the Owens Valley Millimeter Array (three times), the Swedish-ESO Submillimeter Telescope (once, now retired) and the Australia Telescope Compact Array (once). I also saw other parts of the world in connection with conferences, schools, meetings and working visits in Canada, Taiwan, Australia, the US, France and Germany, where I presented parts of the results from this thesis through talks and posters. In addition to pursuing the research presented in this thesis and in a number of additional published or submitted papers, I supervised an undergraduate student, was teaching assistant for the “Star Formation and Origin of Solar Systems” course in 2001 and 2003, and helped collecting and organizing the proposals for the ALMA Design Reference Science Plan. Following the conclusion of this thesis I will move to Cambridge, Massachusetts, in the USA to take up a post-doctoral fellowship in the Radio and Geoastronomy Division at the Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics.
287
288
Curriculum Vitae
Refereed publications: •
Jørgensen, J. K., Johnstone, D., Doty, S. D., & van Dishoeck, E. F. “The impact of a strong interstellar radiation field on the physics and chemistry of protostellar envelopes”, 2004, A&A in prep.
•
¨ Jørgensen, J. K., Schoier, F. L., & van Dishoeck, E. F. “Passive heating vs. shocks in protostellar environments”, 2004, A&A, in prep. (Chapter 9)
•
¨ Jørgensen, J. K., Schoier, F. L., & van Dishoeck, E. F. “Molecular freeze-out as a tracer of the thermal and dynamical evolution of pre- and protostellar cores”, 2004, A&A submitted (Chapter 4)
•
St¨auber, P., Doty, S. D., van Dishoeck, E. F., Jørgensen, J. K. & Benz, A. O. “Influence of UV radiation from a massive YSO on the chemistry of its envelope”, 2004, A&A in press. (astro-ph/0406540)
•
Young, C. H., Jørgensen, J. K., Shirley, Y. L., Kauffman, J. et al. ”A ’starless’ core that isn’t: detection of a source in the L1014 dense core with the Spitzer Space Telescope”, 2004, ApJS in press. (astro-ph/0406371)
•
Boogert, A. C. C. A., Pontoppidan, K. M., Lahuis, F., Jørgensen, J. K., et al. ”Spitzer Space Telescope spectroscopy of ices toward low mass embedded protostars”, 2004, ApJS in press. (astro-ph/0406298)
•
Jørgensen, J. K. “Imaging chemical differentiation around the low-mass protostar L483-mm”, A&A in press. (astro-ph/0405385)
•
¨ Schoier, F. L., Jørgensen, J. K., van Dishoeck, E. F., & Blake, G. A. “On the origin of H2 CO abundance enhancements in low mass protostars ”, 2004, A&A, 418, 185 (Chapter 7)
•
¨ Jørgensen, J. K., Schoier, F. L., & van Dishoeck, E. F. “Molecular inventories and chemical evolution of low-mass protostellar envelopes”, 2004, A&A, 416, 603 (Chapter 3)
•
Maret, S., Ceccarelli, C., Caux, E., Tielens, A. G. G. M., Jørgensen, J. K., et al. “The H2 CO abundance in the inner warm regions of low mass protostellar envelopes”, 2004, A&A, 416, 577
•
Jørgensen, J. K., Hogerheijde, M. R., Blake, G. A., van Dishoeck, E. F., ¨ Mundy, L. G. & Schoier, F. L. “The impact of shocks on the chemistry of molecular clouds - high resolution images of chemical differentiation along the NGC1333-IRAS2A outflow”, 2004, A&A, 415, 1021 (Chapter 8)
•
Jørgensen, J. K., Hogerheijde, M. R., van Dishoeck, E. F., Blake, G. A., & ¨ Schoier, F. L. “The structure of the NGC 1333-IRAS2 protostellar system on 500 AU scales - an infalling envelope, a circumstellar disk, multiple outflows and chemistry”, 2004, A&A, 413, 993 (Chapter 5)
Curriculum Vitae
289
•
Wilner, D. J., Bourke, T. L., Wright, C. M., Jørgensen, J. K., et al. “Disks around the Young Stars TW Hya and HD 100546 Imaged at 3.4 Millimeters with the Australia Telescope Compact Array”, 2003, ApJ, 596, 597
•
¨ Schoier, F. L., Jørgensen, J. K., van Dishoeck, E. F., & Blake, G. A. “Does IRAS 16293-2422 have a hot core? Chemical inventory and abundance changes in its protostellar environment”, 2002, A&A, 390, 1001
•
¨ Jørgensen, J. K., Schoier, F. L., & van Dishoeck, E. F. “Physical structure and CO abundance of low-mass protostellar envelopes”, 2002, A&A, 389, 908 (Chapter 2)
290
Curriculum Vitae
Acknowledgements “Tak er kun et fattigt ord” (“Thanks is an inadequate word”) the title of a classic Danish song, is well-suited for mentioning all the people without whose support this thesis would not exist - or at least not have been written by me. An often asked reply when mentioning that one is doing a Ph.D. in astronomy in the Netherlands is: “But isn’t it cloudy there always; how can one do astronomy in such a place?” Indeed it is often cloudy but there is a stimulating atmosphere within the Dutch astronomical community which is exceptional: Leiden Observatory will always stand for me as a lively environment with a lot of interaction on a scientific and social level – in my opinion the cornerstones for good research. A bit too hectic at times, perhaps: it does not hurt to take a step back from time to time and take a deep breath. Leiden (and Dutch) astronomy also benefits from a huge involvement in international projects and collaborations. These have given me the opportunity all the way from day-one to travel and explore the world, experience different institutes and meet many interesting people. These travels have also fostered friendships, which I expect will last for many years to come. An integral part of this thesis research were observing runs with different telescopes and the staff at these facilities have made these visits enjoyable while helping to produce measurements of high quality. On the social level my fellow AIOs, office mates and neighbours, members of the Leidse Harmoniekapel and others have made for the fun times also outside the observatory. In particular, my fellow regular visitors to a certain local pub for evenings of discussions and frequent laughs will always be remembered. My large group of friends in Denmark are always there when I decide to return for a few days and have offered plentiful visits in the “Dutch”. You are great company - and I hope to see you also on the other side of the Atlantic. A few final, non-English words. Mor, far og Karl: I har altid udgjort en uovertruffen støtte og bakket op om alle mine beslutninger – om de s a˚ af og til bringer mig lidt langt væk hjemmefra. Jeres betydning for mig kan ikke udtrykkes i skreven tekst. Suzanne: De laatste paar maanden samen met jou zijn heel bijzonder geweest voor mij. Had ik jou eerder ontmoet, dan was mijn Nederlands waarschijnlijk veel beter geworden - hopelijk zullen we veel tijd in de toekomst samen hebben om dat te verbeteren.
291
