Disks and Jets in the Formation of Multiple Stellar Systems
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Universidad de Granada
Director
Anglada Pons, GuillemDepartamento
Universidad de Granada. Programa de Doctorado en Física y MatemáticasFecha
2024Fecha lectura
2021-02-10Referencia bibliográfica
Díaz Rodríguez, Ana Karla. Disks and Jets in the Formation of Multiple Stellar Systems. Granada: Universidad de Granada, 2021. [https://hdl.handle.net/10481/90792]
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Tesis Univ. Granada.Resumen
El objetivo general de esta tesis es estudiar las primeras etapas del proceso
de formación estelar en sistemas múltiples. Para ello analizamos dos aspectos
complementarios de la formación múltiple de estrellas: la formación simultanea
de protoestrellas en un cúmulo, y la formación de un sistema binario individual.
Utilizamos observaciones sensitivas, de alta resolución y de multifrecuencia
obtenidas con los instrumentos Very Large Array (VLA) y Atacama Large Millime-
ter/Submillimeter Array (ALMA), en modo de contino y de línea. Las observaciones
centimétricas de continuo con el VLA nos permiten detectar la emision librelibre
térmica de jets ionizados y discos fotoevaporados, mientras que la emisi_on
continua milimétrica detectada con ALMA traza el polvo en el plano medio de
los discos circumestelares, y la emisión de línea nos proporciona los medios para
estudiar su cinemática. Además, la alta resolución angular y la sensibilidad de
nuestras observaciones nos permite detectar componentes de varios potenciales
sistemas múltiples.
En primer lugar, presentamos observaciones del VLA en múltiples longitudes
de onda (0.7-5 cm) y en varias épocas (1994-2015) hacia la región que contiene
las fuentes de IR lejano FIR 3 (HOPS 370) y FIR 4 (HOPS 108) en la Nube
Molecular de Orión (OMC, por sus siglas en inglés) 2. Reportamos la detección
de 10 fuentes de radio, siete de ellas identificadas como objetos estelares jóvenes
(YSO, por sus siglas en ingles). Obtenemos la imagen del radio jet muy bien
colimado (VLA 11) con emisión térmica libre-libre en su núcleo, asociado con la
protoestrella de Clase I HOPS 370, de masa intermedia. El jet presenta varios
nudos (VLA 12N, 12C, 12S) de emisión de no térmica (probablemente sincrotrón
debido al choque de electrones relativistas) a distancias de _ 7500-12500 unidades
astronómicas de la protoestrella, en una región donde otros trazadores de choque
han sido previamente identificados. Mostramos que estos nudos se están alejando
de la protoestrella HOPS 370 a _100 km s1. La protoestrella de Clase 0 HOPS
108, que detectamos como una fuente de radio independiente, cinemáticamente
desacoplada del jet, cae en el camino de estos nudos no térmicos. Estos resultados
favorecen el escenario propuesto anteriormente donde la formación de HOPS 108
ha sido desencadenada por el impacto del jet de HOPS 370 con el material denso
a su alrededor. Sin embargo, HOPS 108 presenta una velocidad de movimiento
propia aparente de _30 km s_1, similar a la de otras estrellas \fugitivas" en Orión, cuyo origen es desconcertante.
Más adelante, ampliamos nuestro estudio a todo el campo de visión de esas
observaciones, una porción de 12:05 de largo del Filamento con Forma de Integral
(ISF, por sus siglas en ingles) que contiene a toda la región OMC-2 y los 2:05 mas
al sur de la región OMC-3. Reportamos 47 fuentes de radio adicionales, 23 de las
cuales se presentan aquí por primera vez. Para estas 47 fuentes de radio, reportamos
sus posiciones, densidades de flujo e índices espectrales. Discutimos sobre
la naturaleza de estas 47 fuentes de radio analizando su índice espectral de radio,
morfología, emisión en otros rangos de longitud de onda, posición relativa al ISF
y asociación con condensaciones de polvo. Concluimos que, del total de 57 fuentes
de radio en el campo de visión, 41 (72 %) están muy probablemente asociadas con
la región de formación estelar, 6 son fuentes de fondo extragalácticas, y no estamos
seguros de la asociación con la región de las 10 fuentes restantes. De las 41
fuentes asociadas con la región de formación estelar, 36 est_an trazando la posición
de YSOs, 3 están rastreando la emisión no térmica de los nudos de un jet, una esta
rastreando la pared ionizada por choques de una cavidad, y una podría ser un YSO
o un nudo de un jet. Identificamos de forma clara la emisión de radio continuo
de las fuentes impulsoras de los 9 chorros moleculares previamente reportados en
nuestro campo de vision. Para cuatro de estas fuentes resolvemos claramente su
morfología alargada característica de los radio-jets. Detectamos emisión térmica
libre-libre proveniente de dos YSOs de Clase III que podría estar rastreando sus
discos fotoevaporados asociados. Encontramos signos de variabilidad en 13 fuentes
de radio, siete de las cuales también son variables en longitudes de onda más cortas
(infrarrojo cercano/óptico/rayos X). Encontramos 7 pares de fuentes de radio
con una separación proyectada < 3000 au, que constituyen potenciales sistemas
binarios; teniendo en cuenta fuentes adicionales que se han detectado a otras longitudes
de onda, identificamos un total de 17 potenciales sistemas múltiples en
nuestro campo de visión en ese rango de separación.
Finalmente, estudiamos el sistema binario cerrado SVS 13, con componentes
separadas 90 au. Detectamos al menos dos discos circumestelares de polvo y gas,
y un disco circumbinario con prominentes brazos espirales, que parece estar en las
primeras etapas de formación, asociado con este sistema protoestelar. La emisión
de polvo parece mas intensa y compacta hacia el componente VLA 4B, mientras
que la VLA 4A parece estar asociado con una mayor cantidad de polvo y con
transiciones moleculares más fuertes. Somos capaces de estimar temperaturas de
rotación y densidades de columnas moleculares, indicando altas temperaturas y
una química rica. Las transiciones moleculares típicas de los corinos calientes se detectan hacia las dos componentes VLA 4A y VLA 4B. A partir de la emisión
de polvo observada y la información cinemática estimamos la orientación del sistema,
las masas estelares y las de sus discos asociados. Nuestro análisis de los
movimientos propios y la cinemática de los discos sugieren que hasta cuatro objetos
estelares, uno de ellos una estrella visible, podrían estar presentes dentro de
una región de < 100 au. En resumen, SVS 13 parece ser un excelente caso de
estudio con el que contrastar simulaciones numéricas de las primeras etapas en la formación de sistemas binarios y múltiples. The general goal of this thesis is to study the first stages of the star formation
process in multiple systems. For that, we analyze two complementary aspects of
multiple star formation: the simultaneous formation of protostars in a cluster,
and the formation of a individual binary system. We use sensitive, high-resolution
and multifrequency continuum and line observations obtained with the Very Large
Array (VLA) and the Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array (ALMA).
The centimeter VLA continuum observations allow us to detect the thermal freefree
emission from ionized jets and photo-evaporating disks, while the millimeter
ALMA continuum emission traces the dust in the mid-plane of the disks and
the line emission provides us means to study its kinematics. Additionally, the
high angular resolution and sensitivity of our observations allows us to detect
components of several possible mutiple systems.
In the first place we present multiwavelength (0.7-5 cm), multiepoch (1994-
2015) VLA observations toward the region enclosing the bright far-IR sources FIR
3 (HOPS 370) and FIR 4 (HOPS 108) in Orion Molecular Cloud (OMC) 2, in
Orion. We report the detection of 10 radio sources, seven of them identified as
young stellar objects (YSOs). We image a well-collimated radio jet with a thermal
free-free core (VLA 11) associated with the Class I intermediate-mass protostar
HOPS 370. The jet presents several knots (VLA 12N, 12C, 12S) of non-thermal
radio emission (likely synchrotron from shock-accelerated relativistic electrons) at
distances of ~ 7500-12500 au from the protostar, in a region where other shock
tracers have been previously identified. We show that these knots are moving
away from the HOPS 370 protostar at ~ 100 km s1. The Class 0 protostar
HOPS 108, which we detect as an independent, kinematically decoupled radio
source, falls in the path of these non-thermal radio knots. These results favor the
previously proposed scenario where the formation of HOPS 108 has been triggered
by the impact of the HOPS 370 out
ow with a dense clump. However, HOPS 108
presents an apparent proper motion velocity of ~30 km s1, similar that of other
runaway stars in Orion, whose origin is puzzling.
Later, we extent our study to the whole field of view of those observations, a
12:05-long portion of the Integral Shaped Filament (ISF) which contains the whole
OMC-2 region and the southernmost 2:05 of the OMC-3 region. We report 47
adittional radio sources, 23 of which are presented here for the first time. For
these 47 radio sources, we report the positions,
ux densities and spectral indices.
We discuss on the nature of the 47 reported radio sources by analyzing their radio
spectral index, morphology, emission at other wavelength ranges, position relative
to the ISF and association with dust clumps. We conclude that, out of the 57
total radio sources in the field of view, 41 (72%) are very likely associated with
the star-forming region, 6 are extragalactic background sources, and we are unsure
about the association with the star-forming region of the remaining 10 sources. Of
the 41 sources associated with the star-forming region, 36 are tracing the position
of YSOs, 3 are tracing non-thermal emission from jet knots, one is tracing the
shock-ionized wall of an out
ow cavity, and one could be either a YSO or a jet
knot. We unambiguously identify the radio continuum emission of the driving
source of the 9 previously reported molecular out
ows in our field of view. In
four of these sources we clearly resolve the elongated morphology characteristic of
radio jets. We detect thermal free-free emission from two Class III YSOs that may
be tracing their associated photoevaporating disks. We find signs of variability in
13 radio sources, seven of which are also variable at shorter wavelengths (near-
IR/optical/X-ray). We find 7 pairs of radio sources with a projected separation
< 3000 au, that are potential binary systems; taking into account the additional
sources detected at other wavelengths, we then identify a total of 17 potential
multiple systems in our field view within this separation range.
Finally, we study the close binary system SVS 13, with components separated
90 au. We detect at least two circumstellar disks of dust and gas, and one circumbinary
disk with prominent spiral arms, that appears to be in the earliest stages of
formation, associated with this protostellar system. Dust emission appears more
intense and compact towards component VLA 4B, while VLA 4A seems to be
associated with a larger amount of dust and with stronger molecular transitions.
We are able to estimate rotational temperatures and molecular column densities,
indicating warm temperatures and a rich chemistry. Molecular transitions typical
of hot corinos are detected toward both VLA 4A and VLA 4B. From the observed
dust emission and the kinematical information we estimate the orientation of the
system, the stellar masses and those of their associated disks. Our analysis of the
proper motions, and the kinematics of the disks suggest that up to four stellar
objects, one of them a visible star, could be present within a region <100 au. In
summary, SVS 13 seems to be an excellent test-bed to test numerical simulations
of the earliest stages in the formation of binary and multiple systems.