Ein Vortrag zu Ehren von Prof. Dr. Helmut Zimmermann

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1 Ein Vortrag zu Ehren von Prof. Dr. Helmut Zimmermann
Molekülwolken & Sternentstehung Ein Vortrag zu Ehren von Prof. Dr. Helmut Zimmermann und Prof. Dr. Werner Pfau Katharina Schreyer, AIU Jena B. Posselt (MPE Garching/AIU Jena), J. Forbrich (MPIfR Bonn/AIU Jena), S. König (AIU Jena), R. Launhardt (MPA Heidelberg), B. Stecklum (TLS Tautenburg), R. Klein (University of Berkeley), Th. Henning (MPA Heidelberg) Lieber Prof. Zimmermann, Lieber Prof. Pfau, Liebe Gäste, Liebe Kollegen, Ich freue mich - stellvertretend für meine jetzigen sowie ehemaligen Kollegen an der Jenaer Sternwarte, die sich speziell mit der Untersuchung von Molekülwolken und der Sternentstehung befasst haben bzw. befassen – einige Gedanken dazu vortragen zu dürfen. In Kürze der Zeit kann ich dieses Thema natürlich nicht allumfassend darstellen, Deshalb werde ich nur fragmentarisch, exemplarisch einige ausgewählte Punkte ansprechen. Nach einem Miniexurse in die Geschichte der Forschung möchte ich einige Ergebnisse übersichtsartig aus unserem Institut dazu vorstellen.

2 Gasnebel und Sternentstehung
Historie Gasnebel und Sternentstehung Russell 1914, Jeans 1929: Erstellung von Sternentwicklungsschemata, Sternentstehung: Kondensation von diffuser Materie Ambarzumjan, 1933: in jungen dichten Stern-Assoziationen kein Gas  Entstehung von Sternen aus Gas  unhaltbare Hypothese Erschließung neuer Wellenlängenbereiche in den 70/80-iger Jahren: Submillimeterastronomie  Kartierung von Moleküllinien + thermische Emission von Staub Infrarotastronomie  protostellare Objekte  viele Entdeckungen: z.B. bipolare Ausströmungen, Jets, protostellare / -planetare Scheiben Ein Blick in die Historie der Erforschung der Gasnebel und der Sternentstehung: Im ersten Drittel des letzten Jahrhunderts unternahmen Henry Russell und James Jeans erste ernsthafte Versuche ein Sternentwicklungsschema aufzustellen, wobei die Sternentstehung durch das klassische Konzept der Kondensation von diffuser Materie beschrieben wurde. Während Henry Norris Russell von der Annahme aus ging, das die Sterne ein Leben lang kollabieren: Wobei Sterne als rote Riesen entstehen, im Laufe ihrer Entwicklung zu O/B Sterne werden, dann alle Spektralklassen durchwandern und als kalte Zwerge enden, nahm James Jeans an, alle Sterne vor 10^ Jahren und das HRD ist Folge verschiedener Anfangsbedingungen ist. Später untersuchte Ambarzumjan dichte Sternassoziationen und fand heraus, dass sich in ihnen die jüngsten Sterne befinden. So nahm er an, dass in den Assoziationen immer noch Sterne entstehen. Da in jungen dichten Stern-Assoziationen kein Gas mehr gefunden wurde – schlussfolgerte man, dass die Entstehung von Sternen aus Gas eine unhaltbare Hypothese sei und Sterne nur aus kompakten, bis dato nicht beobachtbaren Objekten entstehen könnten. Erst die beobachtungstechnische Erschliessung neuer Wellenlängenbereiche im Sub-mm und Infrarotenbereich erweiterte unser Bild der Sternentstehung beträchtlich und führte uns zurück zu der ursprünglichen Idee, dass Sterne aus Gas- und Staubwolken entstehen.

3 Gasnebel und Sternentstehung
Historie Gasnebel und Sternentstehung In den 90-iger Jahren: kleine Sternentstehungsrate in der Milchstraße trotz großer Materiemassen in den Wolken  zusätzliche Stabilisierungsmechanismen der Molekülwolken zur ``Verlängerung´´ ihrer Lebensdauer: Magnetfelder In den letzten Jahren: Paradigmenwechsel: magnetohydrodynamische Turbulenzmodelle (z.B. Padoan & Nordlund 1999, 2002)  ständige Entstehung und Dispersion der Wolken  im Mittel stets gleich viele Wolken in der Milchstraße Offene Fragen: z.B.:  Universalität der Anfangsmassenverteilung der Sterne Zusammenhang mit dem Massenspektrum von Wolkenklumpen  massereiche Sternentstehung (Scheiben-)Akkretionsmodell, Sternverschmelzung In den 90-iger Jahren: fand man aber heraus, dass die mittlere Sternentstehungsrate in der Milchstraße bei der grossen Materiemenge, die in den Wolken enthalten ist, viel zu klein ist. Deshalb benötigte man in der Theorie Stabilisierungsmechanismen der Molekülwolken zur ``Verlängerung‘‘ ihrer Lebensdauer: Die Lösung vermutete man bei den Magnetfeldern ! In den letzten Jahren fand ein Paradigmenwechsel statt: Turbulenzmodelle, wie z.B. von Padoan et al zeigen, dass eine ständige Entstehung und Dispersion der Wolken stattfindet, so dass im Mittel stets gleichviele Wolken in der Milchstraße zu finden sind. So sind z.B. Fragen der gegenwärtigen Forschung: die Universalität der Anfangsmassenfunktion der Sterne die Zunehmend im Zusammenhang mit dem Massensprektrum von Wolkenklumpen diskutiert wird Ein anderes offenes Problem ist die Entstehung massereicher Sterne (M > 40Mo). Hier werden Sternverschmelzungs- und Akkretionsscheibenmodelle bzw. Mischformen davon diskutiert. 2006ApJ...636L.101P Padoan, Paolo; Juvela, Mika; Pelkonen, Veli-Matti Because star-forming gas in galaxies is highly turbulent, the study of star formation involves the investigation of turbulence as well. A general theory of turbulence is not available, but computer simulations of turbulent flows can now provide valuable information on universal statistical properties of turbulent flows. I carry out numerical experiments of super-sonic, self-gravitating magneto-hydrodynamic turbulence with physical parameters appropriate for describing star-forming gas in galaxies. Thanks to adaptive mesh refinement methods, these numerical experiments can now cover a huge range of scales, from the size of interstellar clouds (10^19 cm) to a size comparable to the distance to our Sun (10^13 cm). In den 90-iger Jahren: kleine Sternentstehungsrate in der Milchstraße trotz großer Materiemassen in den Wolken  zusätzliche Stabilisierungsmechanismen der Molekülwolken zur ``Verlängerung´´ ihrer Lebensdauer: Magnetfelder In den letzten Jahren: Molekülwolken: Paradigmenwechsel: magnetohydrodynamische Turbulenzmodelle (z.B. Padoan & Nordlund 1999, 2002)  ständige Entstehung und Dispersion der Wolken  im Mittel stets gleichviele Wolken in der Milchstraße Sternentstehung: massearm: Überarbeitung der Klassifikationen von Lada et al. massereich: (Scheiben-)Akkretionsmodell, Sternverschmelzung

4 Forschung an der Universitätssternwarte zu Jena
Untersuchung interstellarer Wolken und des interstellaren Mediums an der Sternwarte zu Jena  bereits längere Tradition Prof. Zimmermann: mehrere Arbeiten: ``Zur Theorie der interstellaren Wolken neutralen Wasserstoffs´´ (Zimmermann 1968a,b) ``Zum Stoß schneller interstellarer Wasserstoffwolken´´ (Zimmermann 1959) Prof. Pfau: Ursprung diffuser interstellarer Banden, interstellare Extinktion (Pfau et al. 1987, Pfau & Henning 1995, Pfau 1999), In Jena hat die Untersuchung interstellarer Wolken und des interstellaren Mediums eine bereits längere Tradition. So beschäftigte sich Prof. Zimmermann bereits in den 60iger Jahen mit der Theorie interstellarer Wasserstoffwolken. Prof. Pfau: befasste sich mit dem Ursprung diffuser interstellarer Banden, sowie mit der interstellaren Extinktion.

5 Forschung am AIU Jena In den 90-iger Jahren:
Molekülwolken & Sternentstehung In den 90-iger Jahren: Untersuchungen von Sternentstehungsgebieten: Th. Henning: Staubkontinuums- & H2O-Masermessungen Kartierungen von interstellaren Wolken (z.B. IRAM 30m, KOSMA, SEST, 100m-Effelsberg, JCMT, CSO) im Staubkontinuum & in Moleküllinien (z.B. CO, CS, HCO+, NH3): Ralf Launhardt: Sternentstehung in Bok Globulen, Martin Osterloh, K. Schreyer: Untersuchung heller IRAS Quellen Randolf Klein: M17-North In den 90-iger Jahren wurden Untersuchungen von Sternentstehungsgebieten intensitiviert. So wurden von Thomas Henning Untersuchungen im Staubkontinuum sowie H2O Masermessungen durchgeführt. Diesen Arbeiten schlossen sich dann Kartierungen von interstellaren Wolken auch in verschiedenen Linienübergangen mit einer Vielzahl von Teleskopen rund um den Erdball an. Ralf Launhardt untersuchte die Sternentstehung in Bok Globulen, Martin Osterloh & ich : beschäftigen uns mit der Untersuchung heller IRAS Quellen, und Randolf Klein interessierte sich für das Wolkengebiet von M17-North.

6 Forschung am AIU Jena In den 90-iger Jahren:
Molekülwolken & Sternentstehung In den 90-iger Jahren: Hochaufgelöste Infrarotuntersuchungen & - polarimetrie von massereichen Sternentstehungsgebieten: Bringfried Stecklum, Markus Feldt, Hendrik Linz Entwicklung von Strahlungstransportprogrammen: Kontinuum: Eike Thamm, Jürgen Steinacker, Volker Manske Polarisation: Olaf Fischer, Sebastian Wolf Moleküllinien: Volker Ossenkopf Hochaufgelöste Infrarotuntersuchungen & - polarimetrie – besonders von massereichen Sternentstehungsgebieten : wurden von Bringfried Stecklum, Markus Feldt, Hendrik Linz an unserem Institut durchgeführt. Die Entwicklung von Strahlungstransportprogrammen – als nötiges theoretisches Hilfsmittel zur Interpretation von Beobachtungsdaten erfolgte von E.Thamm, J. Steinacker, V. Manske für das Kontinuum, von Olaf Fischer für Polarisierte Strahlung und von Volker Ossenkopf für Moleküllinien.

7 Forschung am AIU Jena Molekülwolken & Sternentstehung
Umfangreiche Millimeter- und Sub-mm Kontinuumskartierungen um 47 helle IRAS Quellen (SCUBA, MAMBO)  Suche nach frühen Entwicklungsphasen massereicher, protostellarer Objekte: Bettina Posselt, Randolf Klein + CO Kartierungen mit dem JCMT(Hawaii) & SMT(Arizona): Randolf Klein, Jan Forbrich, Sabine König Interferometrische Untersuchungen von massereicher Sternentstehung (Plateau de Bure Interferometer, VLA): Jan Forbrich, K. Schreyer Suche nach protoplanetaren Scheiben um junge T Tauri Sterne mit sub-stellaren Begleitern: K. Schreyer, Ralph Neuhäuser Gegenwärtig ist nun eine umfangreiche Millimeter- und Sub-mm Kontinuumsuntersuchung um 47 helle IRAS Quellen (SCUBA, MAMBO) beendet worden, um nach frühen Entwicklungsphasen massereicher, protostellarer Objekte zu suchen beendet worden, an der massgeblich Bettina Posselt, Randolf Klein gearbeitet haben.

8 Forschung am AIU Jena Molekülwolken & Sternentstehung
Umfangreiche Millimeter- und Sub-mm Kontinuumskartierungen um 47 helle IRAS Quellen (SCUBA, MAMBO)  Suche nach frühen Entwicklungsphasen massereicher, protostellarer Objekte: Bettina Posselt, Randolf Klein + CO Kartierungen mit dem JCMT(Hawaii) & SMT(Arizona): Randolf Klein, Jan Forbrich, Sabine König Kartierungsbeispiele SCUBA 870μm (Klein et al. 2005) Hier ein paar Kartierungsbeispiele von aufgefundenen Wolkenkernen um helle IRAS Punktquellen. Wir sehen, dass wir es oftmals mit mehreren Wolkenklumpen zu tun haben, die deutlich auf eine Multiplizität der Sternenstehung bereits in einem sehr frühen Entwicklungsstadium hinweissen. Diese ganze Datenmaterial wird nun eine wertvolle Datenbasis für weitere höherausgelöste Beobachtungen sein, aber auch für statistische Betrachtungen. Einige besonders interessante Objekte wurden bereits eingehender untersucht:

9 Forschung am AIU Jena Molekülwolken & Sternentstehung
Bettina Posselt et al.: Fragmentation oder Gezeitenwirkung: Entstehung mehrerer, masse- reichere Objekte in einer Wolke mit mehreren Wolkenkernen Mcore = M8 Kartierungsbeispiele SCUBA 870μm (Klein et al. 2005) HERA CO J=2-1 IRAM 30m arcsec So konnte Bettina Posselt mit dem 9-Kanal Heterodyn-Array HERA diese ON-THE-Fly Karte in CO 2-1 erhalten, um die Natur – bzw. die Geschwindigkeitsstruktur der Gasbrücke zwischen den zwei prominenten Wolkenkernen zu klären. Mit Fantasie könnte man in den Kontinuumskarten ein sich aufwickelndes Wagenrad vermuten. Die Geschwindigkeitsstruktur das Gases wird uns nun verraten, wie die Klumpen dynamisch miteinander wechselwirken. Mcore = M8

10 Forschung am AIU Jena Molekülwolken & Sternentstehung
Bettina Posselt et al.: Fragmentation oder Gezeitenwirkung: Entstehung mehrerer, masse- reichere Objekte in einer Wolke mit mehreren Wolkenkernen Mcore = M8 Kartierungsbeispiele SCUBA 870μm (Klein et al. 2005) Modell: Burkert & Bodenheimer 1993 HERA CO J=2-1 IRAM 30m arcsec Die Ergebnisse sollen dann mit theoretischen Modellen, zB. von Andi Burkert vergleichen werden. Diese Karte ist ein Beispiel aus einer zeitlichen Entwicklung eines binares Systems. Mcore = M8

11 Forschung am AIU Jena Molekülwolken & Sternentstehung
Umfangreiche Millimeter- und Sub-mm Kontinuumskartierungen um 47 helle IRAS Quellen (SCUBA, MAMBO)  Suche nach frühen Entwicklungsphasen massereicher, protostellarer Objekte: Bettina Posselt, Randolf Klein + CO Kartierungen mit dem JCMT(Hawaii) & SMT(Arizona): Randolf Klein, Jan Forbrich, Sabine König Interferometrische Untersuchungen von massereicher Sternentstehung (Plateau de Bure Interferometer, VLA): Jan Forbrich, K. Schreyer Suche nach protoplanetaren Scheiben um junge T Tauri Sterne mit sub-stellaren Begleitern: K. Schreyer, Ralph Neuhäuser Um bei verschiedenen noch unbekannten Wolkenklumpen unseres Samples nach molekularen Ausströmungen zu suchen, wurden weitere CO Kartierungen durchgeführt.

12 Forschung am AIU Jena Molekülwolken & Sternentstehung
Umfangreiche Millimeter- und Sub-mm Kontinuumskartierungen um 47 helle IRAS Quellen (SCUBA, MAMBO)  Suche nach frühen Entwicklungsphasen massereicher, protostellarer Objekte: Bettina Posselt, Randolf Klein + CO Kartierungen mit dem JCMT(Hawaii) & SMT(Arizona): Randolf Klein, Jan Forbrich, Sabine König Interferometerische Untersuchungen von massereicher Sternentstehung (Plateau de Bure Interferometer, VLA): Jan Forbrich, K. Schreyer Suche nach protoplanetaren Scheiben um junge T Taurii Sterne mit sub-stellaren Begleitern: K. Schreyer, Ralph Neuhäuser IRAS 06117 +1350 Sabine König et al.: Suche nach molekularen Ausströmungen Diese werden nun von Sabine König ausgewertet. Hier ist eine Beispielkarte in CO – erhalten mit dem SMT in Arizona – im Gebiet einer IRAS Quelle, dargestellt mit einer weissen Ellipse. Die mit grünen Konturen dargestellte Molekülwolken befindet sich demzufolge hinter dem optischen Nebel. Offensichtlich ist dieses Objekt ebenfalls ein Beipiel für induzierte Sternentstehung, da eine bipolare Ausströmung nahe der kante zum Nebel gefunden wurde. SMT CO J=2-1 + rote/blaue Linienflügel DSS-Red

13 Forschung am AIU Jena Molekülwolken & Sternentstehung
Umfangreiche Millimeter- und Sub-mm Kontinuumskartierungen um 47 helle IRAS Quellen (SCUBA, MAMBO)  Suche nach frühen Entwicklungsphasen massereicher, protostellarer Objekte: Bettina Posselt, Randolf Klein + CO Kartierungen mit dem JCMT(Hawaii) & SMT(Arizona): Randolf Klein, Jan Forbrich, Sabine König Interferometrische Untersuchungen von massereicher Sternentstehung (Plateau de Bure Interferometer, VLA): Jan Forbrich, K. Schreyer Suche nach protoplanetaren Scheiben um junge T Tauri Sterne mit sub-stellaren Begleitern: K. Schreyer, Ralph Neuhäuser Mit Hilfe von Radiointerferometern wurden Kandidaten für massereichere Objekte untersucht:

14 Forschung am AIU Jena Molekülwolken & Sternentstehung
Jan Forbrich et al.: (2004, in prep.) Umfangreiche Millimeter- und Sub-mm Kontinuumskartierungen um 47 helle IRAS Quellen (SCUBA, MAMBO)  Suche nach frühen Entwicklungsphasen massereicher, protostellarer Objekte: Bettina Posselt, Randolf Klein + CO Kartierungen mit dem JCMT(Hawaii) & SMT(Arizona): Randolf Klein, Jan Forbrich, Sabine König UYSO1 ISAAC(VLT), NB 2.13μm: Extrem junge Frühphase eines protostellaren Objektes (mittlere Masse – massereich) ohne Punktquelle für  ≤ 24μm Konturlinien: JCMT CO 3-2 + rote & blaue Linienflügel Interferometerische Untersuchungen von massereicher Sternentstehung (Plateau de Bure Interferometer, VLA): Jan Forbrich, K. Schreyer Suche nach protoplanetaren Scheiben um junge T Taurii Sterne mit sub-stellaren Begleitern: K. Schreyer, Ralph Neuhäuser Jan Forbrich beschäftigte sich besonders mit einem neu entdeckten Wolkenkern aus dem erwähnten grossen Millimeter-Survey, in dessen Zentrum ein riesiger Infrarotjet entdeckt wurde den ein zweiter fast senkrecht dazu zu kreuzen scheint. Da auch mit Spitzer keine Punktquelle für Wellenlängen kürzer als 24um entdeckt wurde, scheint es sich bei diesem Objekt um extrem junges Objekt zu handeln.

15 Forschung am AIU Jena Molekülwolken & Sternentstehung
Jan Forbrich et al.: (2004, in prep.) Umfangreiche Millimeter- und Sub-mm Kontinuumskartierungen um 47 helle IRAS Quellen (SCUBA, MAMBO)  Suche nach frühen Entwicklungsphasen massereicher, protostellarer Objekte: Bettina Posselt, Randolf Klein + CO Kartierungen mit dem JCMT(Hawaii) & SMT(Arizona): Randolf Klein, Jan Forbrich, Sabine König ISAAC(VLT), NB 2.13μm: Extrem junge Frühphase eines protostellaren Objektes (mittlere Masse – massereich) ohne Punktquelle für  ≤ 24μm PdB-A Array: Positionen der eingebetteten Quellen Interferometerische Untersuchungen von massereicher Sternentstehung (Plateau de Bure Interferometer, VLA): Jan Forbrich, K. Schreyer Suche nach protoplanetaren Scheiben um junge T Taurii Sterne mit sub-stellaren Begleitern: K. Schreyer, Ralph Neuhäuser Mit dem PdBI konnten nun zu Beginn des Jahres die Positionen der verursachenden Quellen gefunden werden: So dass wir ausschliessen können, dass es sich hier um einen enges Binärsystem handelt. AU

16 Forschung am AIU Jena Molekülwolken & Sternentstehung
K. Schreyer et al. (2006): Hintergrund: Subaru-Dreifarbenbild: H-band, K-band & gemitteltes Bild aus H und K Y. Itoh, B. Stecklum Konturen: Plateau de Bure Interferometer: CS 2-1 Gesamtintensität + rot- & blauverschobene Linienkomponenten Umfangreiche Millimeter- und Sub-mm Kontinuumskartierungen um 47 helle IRAS Quellen (SCUBA, MAMBO)  Suche nach frühen Entwicklungsphasen massereicher, protostellarer Objekte: Bettina Posselt, Randolf Klein + CO Kartierungen mit dem JCMT(Hawaii) & SMT(Arizona): Randolf Klein, Jan Forbrich, Sabine König Ich selber habe mich unter anderem ebenfalls um die Aufklärung der näheren Umgebung verschiedener massereicherer Objekte befasst. Ein interessantes Objekt ist AFGl 490, ein MO Stern – an der Grenze zwischen Sternen mittlerer Masse und massereich. Für dieses Objekt konnten wir nun zweifelsfrei in mehreren Moleküllinien eine zirkuumstellare Scheibe von ca. 1 Mo, die selbst aber noch in eine dichtere Umgebung aus Staub und Gas eingebettet ist nachweisen. AFGL 490 – ein 8…10 M-Stern mit einer zirkumstellaren Scheibe von 1 M

17 Forschung am AIU Jena Molekülwolken & Sternentstehung
Umfangreiche Millimeter- und Sub-mm Kontinuumskartierungen um 47 helle IRAS Quellen (SCUBA, MAMBO)  Suche nach frühen Entwicklungsphasen massereicher, protostellarer Objekte: Bettina Posselt, Randolf Klein + CO Kartierungen mit dem JCMT(Hawaii) & SMT(Arizona): Randolf Klein, Jan Forbrich, Sabine König Interferometrische Untersuchungen von massereicher Sternentstehung (Plateau de Bure Interferometer, VLA): Jan Forbrich, K. Schreyer Suche nach protoplanetaren Scheiben um junge T Tauri Sterne mit sub-stellaren Begleitern: K. Schreyer, Ralph Neuhäuser Abschliessend möchte ich erwähnen, dass wir begonnen haben im Radiobereich nach zirkumstellaren Scheiben um junge T Tauri Sterne mit substellaren Begleitern zu suchen.

18 Prof. Dr. Helmut Zimmermann
Herzlichen Dank und beste Wünsche für Prof. Dr. Helmut Zimmermann und Prof. Dr. Werner Pfau Damit möchte ich zum Ende kommen. An dieser Stelle möchte ich mich – auch persönlich – ganz herzlich für das stets offene Ohr für allerlei Probleme und die vielen interessanten Diskussionen und Gespräche mit Prof Zimmermann und Prof. Pfau bedanken. Da ich bei ihnen bei beiden in ihren Vorlesungen Wissen sammeln konnte sehe ich es nun als eine Verpflichtung dieses Wissen in der möglichste gleichen entusiastischen und gut anschaulichen Art wie es sie vermittelt haben an die mir nun bereits nachkommende Generation an Studenten weiterzu geben. Damit möchte ich schliessen. Herzlichen Dank an sie beide, alle Guten Wünsche für die Zukunft und vielen Dank für die Ausmerksamkeit.

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20 Forschung am AIU Jena Umfangreiche Millimeter- und Sub-mm Kontinuumskartierungen um 47 helle IRAS Quellen (SCUBA, MAMBO)  Suche nach frühen Entwicklungsphasen massereicher, protostellarer Objekte: Bettina Posselt, Randolf Klein + CO Kartierungen mit dem JCMT(Hawaii) & SMT(Arizona): Randolf Klein, Jan Forbrich, Sabine König K. Schreyer et al. : Suche nach Gas und Staub im Gebiet von GQ Lupi Untersuchung der umgebenden interstellaren Wolke Interferometrische Untersuchungen von massereicher Sternentstehung (Plateau de Bure Interferometer, VLA): Jan Forbrich, K. Schreyer Suche nach protoplanetaren Scheiben um junge T Taurii Sterne mit sub-stellaren Begleitern: K. Schreyer, Ralph Neuhäuser ATCA Interferometer, Australien GQ Lupi 17