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Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10451/1557

Título: From dust to light: a study of star formation in NGC 2264
Autor: Teixeira, Paula Stella de Viveiros, 1977-
Orientador: Lada, Charles J., 1949-
Santos, Filipe Duarte, 1942-
Palavras-chave: Astronomia
Astrofísica
Teses de doutoramento - 2008
Issue Date: 2008
Resumo: The goal of this dissertation is to characterize the star formation history of the young cluster NGC2264 using the unique observational capabilities of the Spitzer Space Telescope. The motivation to conduct this study stems from the fact that most stars are formed within clusters, so the formation and evolution of the latter will effect the stellar mass distribution in the field. Detailed observational studies of young stellar clusters are therefore crucial to provide necessary constraints for theoretical models of cloud and cluster formation and evolution. This study also addresses the evolution of circumstellar disks in NGC2264; empirical knowledge of protoplanetary disk evolution is required for the understanding of how planetary systems such as our own form. The first result obtained from this study was both completely new and unexpected. A dense region within NGC2264 was found to be teeming with bright 24 µm Class I protostars; these sources are embedded within dense submillimeter cores and are spatially distributed along dense filamentary fingers of gas and dust that radially converge on a B-type binary Class I source. This cluster of protostars was baptized the "Spokes cluster" and its analysis provided further insight into the role of thermal support during core formation, collapse and fragmentation. The nearest neighbor projected separation distribution of these Class I sources shows a characteristic spacing that is similar to the Jeans length for the region, indicating that the dusty filaments may have undergone thermal fragmentation. The submillimeter cores of the Spokes cluster were observed at 230GHz using the SubMillimeter Array (SMA) and the resulting high resolution (1.300) continuum observations revealed a dense grouping of 7 Class 0 sources embedded within a particular core, D-MM1 (2000x2000). The compact sources have masses ranging between 0.4M and 1.2M, and radii of 600AU. The mean separation of the Class 0 sources within D-MM1 is considerably smaller than the characteristic spacing between the Class I sources in the larger Spokes cluster and is consistent with hierarchical thermal fragmentation of the dense molecular gas in this region. The results obtained by the study of the Spokes cluster show that the spatial substructuring of a cluster or subcluster is correlated with age, i.e., groupings of very young protostars have clearly more concentrated and substructured spatial distributions. The Spokes cluster could thus be one of several building blocks of NGC2264, and will likely expand and disperse its members through the surrounding region, adding to the rest of NGC2264's stellar population. To further explore this scenario, I identified Pre-Main Sequence (PMS) diskbearing sources in the whole region of NGC2264, as surveyed by InfraRed Array Camera (IRAC) analyzing both their spatial distributions and ages. Of the 1404 sources detected in all four IRAC bands, 116 sources were found to have anemic IRAC disks and 217 sources were found to have thick IRAC disks; the disk fraction was calculated to be 37.5%+-6.3% and found to be a function of spectral type, increasing for later type sources. I identified 4 candidate sources with transition disks (disks with inner holes), as well as 6 sources with anemic inner disks and thick outer disks that could be the immediate precursors of transition disks. This is a relevant result for it suggests planet formation may be occurring in the inner disk at very early ages. I found that the spatial distribution of the disk-bearing sources was a function of both disk type and amount of reddening. This spatial analysis enabled the identification of three groups of sources, namely, (i) embedded (AV> 3 magnitudes) sources with thick disks, (ii) unembedded sources with thick disks, and (iii) sources with anemic disks. The first group was found to have a median age of 1 Myr and its spatial distribution is highly concentrated and substructured. The second group, (ii), has a median age of 2 Myr and its spatial distribution is less concentrated and substructured than group (i), but more than the group of sources with anemic disks the spatial distribution of this third group (age 2 Myr) is not substructured and is more distributed, showing no particular peak or concentration. The star formation history of NGC2264 appears to be as follows: the northern region appears to have undergone the first epoch or episode of star formation, while the second epoch is currently occurring in the center (Spokes cluster) and south (near Allen's source).
O objectivo desta dissertação é o estudo da história da formação estelar do exame estelar jovem NGC2264, bem como a caracterização da população estelar da pré-sequência principal que possui discos circum-estelares. Este trabalho foi realizado usando primariamente dados do telescópio espacial Spitzer, nomeadamente, imagens obtidas com os detectores "InfraRed Array Camera (IRAC)" (filtros centrados em 3.6 µm, 4.5 µm, 5.8 µm, e 8 µm) e "Multiband Imaging Photometer for SIRTF (Spitzer ) (MIPS)" (filtros centrados em 24 µm, 70 µm, e 160 µm). A capacidade observacional do Spitzer é única, sendo o telescópio com a melhor combinação de sensibilidade e resolução espacial actualmente existente que observa na janela espectral definida pelos comprimentos de onda 3.6 µm e 160 µm. A motivação deste estudo resulta do facto de que a maior parte das estrelas nasce em enxames estelares, pelo que a formação e evolução de enxames determina consequentemente a distribuição de masses estelares. Estudos observacionais detalhados de enxames jovens são cruciais para desenvolver modelos teóricos que descrevam a formação e evolução de nuvens moleculares e enxames de uma forma mais realista. O estudo de discos circum-estelares em NGC2264 fornece dados empíricos da evolução de discos proto-planetários que são igualmente necessários para a compreensão de como sistemas planetários, tal como o nosso, formam. O primeiro resultado obtido neste trabalho doutoral, e um dos primeiros da era Spitzer, foi completamento novo e inesperado. Descobrimos numa região da nuvem molecular associada ao exame NGC2264 caracterizada por matéria molecular densa (n _ 104 cm-3), um aglomerado ou sub-enxame rico em proto-estrelas Class I. As proto-estrelas estão embebidas em núcleos ou glóbulos submilimétricos bastante densos (n _ 105 cm-3), e encontram-se distribuídas espacialmente ao longo de dedos filamentares de gás e poeira que convergem numa fonte binária de Class I de tipo espectral B (IRS 2). Este sub-enxame de proto-estrelas Class I foi baptizado de enxame "Spokes", e a sua análise permitiu compreender melhor o papel desempenhado pelo pressão térmica durante a formação, colapso, e fragmentação de filamentos e glóbulos ou núcleos de gás e poeira. A distribuição da distância (projectada) entre as proto-estrelas Class I e as suas vizinhas mais próximas é caracterizada por um espaçamento (2000± 500) que é semelhante ao comprimento de Jeans para a região (2600), indicando que os filamentos de poeira possam ter fragmentado por um processo em que a pressão térmica era dominante (comparada com a pressão da turbulência ou pressão magnética) fragmentação térmica. Os núcleos ou góbulos submilmétricos do enxame Spokes foram observados a uma frequência de 230 GHz usando o radiotelescópio interferométrico "SubMillimeter Array (SMA)"; as resultantes observações no contínuo são de alta resolução (_1.300) e revelaram um denso aglomerado de 7 fontes compactas embebidas num particular núcleo ou glóbulo designado de D-MM1 (_2000×2000, n _ 106 cm-3). As fontes compactas têm massas entre 0.4M_ e 1.2M_, e diâmetros de _1200AU, e o seu estado evolucionário corresponde ao de proto-estrelas Class 0. A distância média (projectada) entre as proto-estrelas Class 0 em D-MM1 (6.900) é consideravelmente menor do que o espaçamento característico entre as protoestrelas Class I do enxame Spokes, mas semelhante ao comprimento de Jeans para D-MM1 (5.900); este resultado é indicativo de que possa ter havido fragmentação térmica hierárquica do gás molecular denso no enxame Spokes. O estudo do enxame Spokes mostra portanto que a sub-estruturação espacial de um exame ou sub-enxame está correlacionado com a idade das suas fontes, i.e., aglomerados de proto estrelas muito jovens têm claramente distribuições espaciais mais concentradas e sub-estruturadas. O enxame Spokes poderá ser desta forma um de vários blocos construtores de NGC2264: irá expandir e dispersar os seus membros pela região circundante, adicionando membros à população estelar já existente. Para poder continuar a explorar este cenário, identifiquei a população de estrelas da pré-sequência principal que têm discos circum-estelares em toda a região de NGC2264 observada pelo IRAC, e analisei a sua estrutura espacial e distribuição de idades. Os discos circum-estelares, ou proto-planetários, foram classificados em dois tipos de acordo com o declive, entre 3.6 µm e 8 µm, da distribuição espectral de energia da respectiva fonte, _IRAC: discos espessos têm -1.8 _ _IRAC < -0.5 e discos anémicos têm -2.56 < _IRAC < -1.8 (fontes sem disco IRAC são caracterizadas por _IRAC < -2.56). Das 1404 fontes detectadas usando os quatros filtros do IRAC, 116 fontes têm discos anémicos e 217 fontes têm discos espessos; a fracção de discos em NGC2264 calculada foi de 37.5%±6.3% e é função do tipo espectral: a fracção de discos circum-estelares aumenta com a diminuição da massa estelar. A comparação da distribuição espectral de energia mediana das fontes com discos espessos de NGC2264 com a de um outro enxame jovem IC 348, mostra que fontes de tipos espectrais A-F de NGC2264 têm discos com maior estrutura vertical, o que significa que existe maior sedimentação dos grãos de poeira nos discos espessos das estrelas A-F de IC348. Os discos espessos para fontes de menor massa de NGC2264 aparentam ter a mesma distribuição vertical que os de IC 348. Ambas estas comparações indicam que a sedimentação é maior para os discos em torno de estrelas de menor massa em NGC2264. Este estudo de discos circum-estelares também permitiu a identificação de discos transitórios (i.e., discos com buraco interior), assimdesignados pois são considerados estar num estado evolutivo entre discos protoplanetários e discos secundários ou de "debris". Foram encontrados 4 fontes com possíveis discos transitórios (a ausência de excesso de emissão detectada por IRAC traduz-se numa ausência do disco interior), bem como 6 fontes com discos interiores anémicos e discos exteriores espessos (detectados por MIPS) que poderão ser os percursores imediatos de discos transitórios. Este é um resultado relevante pois sugere que a formação planetária poderá estar a ocorrer nos discos interiores de sistemas bastante jovens (< 2 milhões de anos). Para pesquisar a história de formação estelar em NGC2264 utilizei vários métodos para analisar a distribuição espacial das fontes com discos usando dados fotométricos complementares no infravermelho próximo (J,H e Ks). Esta análise permitiu concluir que a distribuição espacial de fontes com discos é função do tipo de disco (i.e., se o disco é anémico ou espesso) e da quantidade de extinção sofrida (i.e., se a fonte está embebida ou não na nuvem molecular). A análise deste distribuição espacial permitiu a identificação de três grupos de fontes, nomeadamente, (i) fontes embebidas (AV> 3 magnitudes) e que têm discos espessos, (ii) fontes não embebidas (AV_ 3 magnitudes) e que têm discos espessos, e (iii) fontes com discos anémicos. Encontrou-se que o primeiro grupo tem uma idade mediana de 1 milhão de anos e a sua distribuição espacial é altamente concentrada e sub-estruturada. O segundo grupo, (ii), tem uma idademediana de 2 milhões de anos e a sua distribuição espacial é menos concentrada e apresenta menos sub-estruturação que o grupo (i), mas mais do que o grupo de fontes com discos anémicos a distribuição espacial deste último grupo (idade _ 2 milhões de anos) não apresenta sub-estruturação e é mais dispersa, sem nenhum particular pico ou concentração. A história da formação estelar de NGC2264 aparenta ter ocorrido da seguinte forma: o primeiro episódio ou época de formação estelar deu-se no norte da nuvem molecular associada com NGC2264, enquanto que o segundo episódio ou época de formação estelar esteja a correr no centro (onde se encontra o enxame Spokes) e no sul (perto da fonte Allen) da nuvem.
Descrição: Tese de doutoramento em Astronomia e Astrofísica, apresentada à Universidade de Lisboa através da Faculdade de Ciências, 2008
URI: http://hdl.handle.net/10451/1557
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