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The formation and early evolution of protostellar disks around low-mass stars.

机译:质子星盘在低质量恒星周围的形成和早期演化。

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摘要

Das Massenspektrum neu entstandener Sterne (IMF) ist von universeller Gueltigkeit. So jedenfalls scheint es in verschiedenen Sternentstehungsregionen in der Milchstrasse, die alle derselben Verteilung aufweisen. Hierbei ist die relative Haeufigkeit von Sternen mit einer Masse von 1M⊙ oder weniger, welche als massearm bezeichnet werden, besonders hoch. Die IMF ist von grundlegender Bedeutung fuer viele Bereiche der Astronomie. Unter Anderem bildet sie die Grundlage fuer die optische Erforschung ferner Galaxien und die Statistik entstehender chemischer Elemente. Dennoch ist ihre Universalitaet bezueglich fremder Galaxien oder bei hohen Rotverschiebungen bislang nicht eindeutig wissenschaftlich belegt, da eine vollstaendige Theorie der Sternentstehung immer noch aussteht. Sternentstehung basiert auf einem aeusserst komplexen, nichtlinearen Wechelspiel von Eigengravitation, Hydrodynamik und Druck, sowie von Turbulenz, Strahlung, Magnetfeldern und der Chemie von Staub und Gas. Erschwerend kommt hinzu, dass junge Sterne in die Molekuelwolke, aus welcher sie entstehen, eingebettet sind. Daher sind sie nur mittels Molekuelspektren im Radio-Wellenlaengenbereich zu beobachten. Eine vielversprechende Moeglichkeit umden Sternentstehungsprozess letztendlich zu durchschauen ergibt sich mittels Computersimulationen. Abgesehen von den vielen physikalischen Prozessen liegt die numerische Herausforderung in der grossen Aenderung der Laengenskala (um mehr als sieben Groessenordnungen), sowie der Dichte (um mehr als 20 Groessenordnungen) waehrend des Kollapses eines dunklen Wolkenkerns. Aus diesem Grund wurden im Rahmen dieser Doktorarbeit nur Eigengravitation, Hydrodynamik, und Turbulenz in Betracht gezogen. Eine geeignete Methode zur Berechnung des Kollapses prestellarer Kerne ist die sogenannte Smoothed Particle Hydrodynamics Methode, ein Teilchen-basiertes Schema, welches die hydrodynamischen Gleichungen in ihrer Lagrangeschen Form loest. Die Simulationen sind vollstaendig dreidimensional. Da eine direkte Berechnung des Strahlungstransports derzeit immer noch zu zeitintensiv, jedoch die Beschreibung des Gases durch eine einfache Zustandsgleichung relativ unrealistisch ist, wurde im Rahmen dieser Doktorarbeit eine vereinfachte Beschreibung der Gaskuehlung mittelstabellierter, optisch duenner Molekuellinien integriert.Eine vollstaendige Theorie der Sternentstehung sollte die Entwicklung einzelner Molekuelwolkenkerne (MWK) eindeutig vorhersagen koennen. Dies beinhaltet den Einfluss der Verteilung des Gesamtdrehimpulses des MWKs auf die Multiplizitaet und die akkretierte Masse der entstehenden Sterne. Das Ziel dieser Doktorarbeit ist daher, die dynamische Entwicklung des kollabierenden Kerns sowie die Entstehung protostellarer Scheiben unter verschiedenen Voraussetzungen zu untersuchen, um gegebenenfalls vorhandene Abhaengigkeiten von Scheibenstruktur und physikalischen Anfangsbedingungen in der Gaswolke zu identifizieren.Im Fall starr rotierender MWKs ist dies moeglich. Die durchgefuehrten Simulationen ergeben, dass sich als Funktion des Anfangsdrehimpulses eindeutig bestimmen laesst, wie groß, konzentriert und warm eine protostellare Scheibe sein wird. Je groesser der Drehimpuls j, desto groesser und kuehler auch die Scheibe. Ab einem bestimmten j bilden sich ausgepraegte Spiralarme und die Scheibe fragmentiert. Bei kleinerem j ist die Scheibe sehr konzentriert und heizt sich daher auf. Der zusaetzliche thermischen Druck wirkt stabilisierend, weswegen die Fragmentationunterdrueckt wird. In Abhaengigkeit von Radius, j und Masse des MWKs ist es moeglich mittels einer einfachen analytischen Abschaetzung eine mittlere Scheibendichte zu berechnen und diese durch eine detaillierte Analyse mehrerer Simulationen grundsaetzlicher gleicher Kerne mit unterschiedlichem j zu ’eichen’. Untersucht wurde die mittlere Scheibendichte fuer die Fragmentation eintritt bzw. unterdrueckt wird. Im Vergleich mit Beobachtungen von dunklen MWKs fuehrt die berechnete kritische mittlere Scheibendichte zu einem sehr geringen Anteil an Kernen fuer welche eine spaetere Scheibenfragmentation vorhergesagt wird: nur 13%. Verglichen mit der beobachteten Multiplizitaetsrate junger, massearmer Sterne (30% - 50% in Abstaenden von 14AU-1400AU) ist dieser Wert viel zu klein. Unter der Annahme effizienterer Gaskuehlung waere die kritische mittlere Scheibendichte fast um drei Groeßenordnungen hoeher, was die Fragmentation maßgeblich beguenstigen wuerde. Das Fragmentationsverhalten protostellarer Scheiben scheint also von den lokalen thermodynamischen Eigenschaften des Gases bestimmt zu sein.Mit turbulenten Anfangsbedingungen gestaltet sich die Scheibenentstehung und Entwicklung vollkommen anders. In diesem Fall ergibt sich keine Korrelation von Groeße, Konzentration oder Durchschnittstemperatur der Scheibe mit dem Anfangs-Drehimpuls der Gaswolke. Unter dem Einfluss von Turbulenz wird das aufgesetzte hydrostatische Gleichgewicht der Wolke von Anfang an maßgeblich gestoert. Im Wechselspiel mit der Eigengravitation des Gases bildet sich in jeder Simulation ein langgezogenes Filament, welches lokal sehr dicht wird. In dichten Filamentgebieten kann die lokale Jeans Masse waehrend des weiteren Kollapses ueberschritten werden und dort entstehen protostellare Objekte. Vergleichbar mit dem Kollaps duenner, sehr flacher Ellipsoide findet sich der Protostern oftmals in einer Ecke des Filaments. Im Vergleich zur umgebenden Scheibe wachsen die Protosterne im Mittel viel schneller als im starr rotierenden Fall. Die entstehenden protostellaren Scheiben sind viel kleiner, obgleich kuehl. Trotzdem sind sie nicht gravitativ instabil. Durch den turbulenten, aber kontinuierlichen Gaseinfall wird die Scheibe in vertikaler Richtung gestoert und erscheint daher dicker als im Fall des starr rotierenden Kollapses. Interessanterweise fragmentieren auch in diesem Fall nur 16% aller MWKs. Obwohl Turbulenz den Kollaps maßgeblich beeinflußt aehnelt dieser Wert dem vorhergesagten Wert fuer Kerne im starr rotierenden Fall. Diese Uebereinstimmung kann wiederum als Hinweis darauf gewertet werden, dass die lokalen thermodynamischen Eigenschaften des Gases die tatsaechliche Fragmentation ermoeglichen.Die im Rahmen dieser Doktorarbeit gewonnene Erkenntnisse geben tiefe Einblicke in die Dynamik der Entstehung und fruehen Entwicklung von protostellaren Scheiben. Sie zeigen numerische Schwaechen, ebenso wie physikalische Kritikpunkte in modernsten Simulationen des Sternentstehungsprozesses auf. Daher bilden sie die Basis fuer kompliziertere Rechnungen und sind ein weiterer Schritt in Richtung einer vollstaendigen Theorie der Sternentstehung.
机译:新形成的恒星(IMF)的质谱具有普遍有效性。至少那是在银河系中不同恒星形成区域中出现的方式,它们都具有相同的分布。在此,质量为1M⊙或以下的恒星的相对频率(称为低质量)特别高。货币基金组织是许多天文学领域的基础。它为遥远星系的光学研究和新兴化学元素的统计奠定了基础。然而,由于关于恒星形成的完整理论仍未得到科学证实,它们关于外星系或高红移的普遍性尚未得到科学证明。恒星的形成是基于自重,流体动力学和压力以及湍流,辐射,磁场以及粉尘和气体的化学物质之间极其复杂的非线性相互作用。更糟的是,年轻的恒星嵌入了它们起源的分子云中。因此,只能通过在无线电波长范围内的分子光谱来观察它们。最终了解恒星形成过程的一种有前途的方法是使用计算机模拟。除了许多物理过程之外,数值挑战还在于在暗云核心坍塌期间,长度尺度(超过七个数量级)和密度(超过20个数量级)的巨大变化。因此,在本博士论文中仅考虑了自重,流体动力学和湍流。计算星前核坍缩的一种合适方法是所谓的“平滑粒子流体动力学方法”,这是一种基于粒子的方案,可以解决拉格朗日形式的流体动力学方程。模拟完全是三维的。由于目前直接计算辐射传输仍然很费时,但是通过简单的状态方程来描述气体是相对不切实际的,因此在本博士论文的范围内,将对气体稳定的,介质稳定的光学细分子线的简化描述整合在一起。单个分子云核(MWK)可以清楚地预测。这包括MWK的总角动量分布对多重性和恒星质量的影响。因此,本博士论文的目的是研究塌陷核在各种条件下的动态发展和原恒星盘的形成,以便确定盘结构与气云中初始物理条件之间的任何依存关系,这在刚性旋转的MWK情况下是可能的。进行的模拟表明,根据初始角动量,可以清楚地确定原恒星盘的大小,集中度和温暖度。角动量j越大,碟片越大且越凉。从某个j开始,形成明显的螺旋臂,并且磁盘被碎片化。如果j较小,则磁盘非常集中,因此会发热。附加的热压具有稳定作用,这就是为什么抑制碎裂的原因。根据MWK的半径,j和质量,可以使用简单的分析估计来计算平均磁盘密度,并通过对具有j的基本相同的磁芯的若干模拟进行详细分析来“校准”此值。碎片的平均盘密度发生或被抑制。与暗MWK的观察结果相比,计算得出的临界平均磁盘密度导致极低比例的核,因此预测稍后会出现磁盘碎片:仅13%。与观察到的年轻低质量恒星的多重率(间隔为14AU-1400AU的30%-50%)相比,该值太小了。假设更有效的气体冷却,则临界平均磁盘密度将高出近三个数量级,这将显着促进碎片化。因此,原恒星盘的破碎行为似乎是由气体的局部热力学性质决定的,在湍流的初始条件下,盘的形成和发展是完全不同的。在这种情况下,大小没有相关性,磁盘的浓度或平均温度与气体云的初始角动量。在湍流的影响下,云的附着静水力平衡从一开始就被严重破坏。在与气体自身的重力相互作用时,每次模拟都会形成一条细长的细丝,该细丝在局部变得非常密实。在密集的长丝区域中,在进一步塌陷期间可能会超过局部牛仔裤的质量,并在此创建原恒星物体。与薄而扁平的椭球体崩溃相比,原恒星经常出现在灯丝的一角。与周围的磁盘相比,原恒星的平均增长速度要快于刚性旋转的情况。虽然很酷,但产生的原星盘要小得多。但是,它们在重力上并不是不稳定的。由于气体的湍流但连续的入射,该盘在垂直方向上受到干扰,因此比在刚性旋转塌陷的情况下显得更厚。有趣的是,在这种情况下,所有MWK的碎片也只有16%。尽管湍流显着影响坍塌,但该值类似于在刚性旋转情况下岩心的预测值。这种对应关系反过来可以解释为表明气体的局部热力学性质可以使实际碎裂的迹象,在本博士论文的背景下获得的知识对原恒星盘的形成和早期发育的动力学具有深刻的见解。在最现代的恒星形成过程模拟中,它们显示出数值上的缺陷以及物理上的批评。因此,它们构成了更复杂计算的基础,并且是朝着完整的恒星形成理论迈出的又一步。

著录项

  • 作者

    Walch Stefanie;

  • 作者单位
  • 年度 2008
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