Universität zu Köln

Relevance of star-disc encounters in massive stellar clusters. From gas-embedded to dissolving populations

Steinhausen, Manuel (2013) Relevance of star-disc encounters in massive stellar clusters. From gas-embedded to dissolving populations. PhD thesis, Universität zu Köln.

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    Abstract

    Observations reveal that most stars do not form in isolation but as part of a star cluster. Initially, the young stars constituting these clusters are surrounded by circumstellar discs. Previous investigations concentrated on the consequences of stellar interactions for these circumstellar discs during the early phases (<3 Myr), where the cluster is still embedded in its natal gas. By contrast, the relevance of star-disc encounters during the entire first 15 Myr of massive cluster development has been investigated in this work, including the gas-embedded and the cluster expansion phase. In the embedded phase, the focus was on the influence of the initial shape of the disc-mass distribution. Although it has a significant impact on the relative disc-mass and angular momentum losses in certain single star-disc encounters, the fraction of stars with perturbed discs turns out to be fairly unaffected by the initial density profile. The exception are dense cluster environments, where disc destruction rates in the crowded core regions are 40% and 60% for steep and shallow disc-mass distributions, respectively. Here, the interactions of low-mass stars dominate, which show the largest dependency on the initial disc-mass distribution due to the generally high encounter mass ratios. After the expulsion of the residual gas the stellar density drops rapidly so that the number of encounters is considerably lower, and very few discs are completely destroyed. The dense cluster core region expands by a factor of ten while most of the stars in the sparse cluster outskirts become unbound. A consequence of this cluster expansion is that the multitude of stellar encounters in the core regions of embedded clusters significantly shapes the disc properties of the remnant bound population, whereas the stars joining the field population are to a much lesser degree affected by encounters. The expansion process strongly influences the observed disc fractions since it mimics a non-existent decrease with cluster age. Stars that are dispersed in the field most likely maintain their discs for a substantially prolonged time span and are, thus, more suitable for forming planetary systems.

    Item Type: Thesis (PhD thesis)
    Translated abstract:
    AbstractLanguage
    Die aktuelle Vorstellung von Sternenstehung besagt, dass Sterne nicht einzeln sondern bevorzugt in Sternhaufen entstehen. Als Folge des Entstehungsprozesses sind die jungen Sterne anfänglich von zirkumstellaren Scheiben umgeben, welche aus Staub und Gas bestehen. Bisherige Untersuchungen des Einflusses von Vorbeiflügen anderer Sternhaufenmitglieder auf diese Scheiben konzentrierten sich ausschließlich auf die frühe Phase der Sternhaufenentwicklung (< 3 Millionen Jahre), während der die Sterne noch im Gas aus der Entstehungsphase eingebettet sind. In dieser Arbeit wurde der Einfluss eines störenden Sterns auf das Stern-Scheibe System während der gesamten ersten 15 Millionen Jahre der Entwicklung untersucht, also nicht nur die frühe, eingebettete Phase sondern auch die Expansionsphase des Sternhaufens nach dem Ausstoß des umgebenden Restgases. Für die eingebettete Phase wurden speziell die Auswirkungen unterschiedlicher Massenverteilungen innerhalb der Scheiben auf Verluste durch Sternvorbeiflüge untersucht. Obwohl der Einfluss der Massenverteilung auf die Scheibenverluste in Einzelstößen sich teilweise stark unterscheidet, ist die Anzahl der Sterne mit gestörten Scheiben im Sternhaufen weitesgehend unabhängig vom anfänglichen Dichteprofil. Die Ausnahme bilden sehr dichte Sternhaufen, bei denen Scheibenmasseverluste in den Kernregionen von 40% für steile Masseverteilungen denen von 60% für anfänglich flache Masseverteilungen gegenüber stehen. Der Grund liegt in der Dominanz der massearmen Sterne in diesen Sternhaufen, welche aufgrund ihrer üblicherweise massiveren Stoßpartner die größte Abhängigkeit von der anfänglichen Massenverteilung zeigen. Nachdem das Restgas aus dem Sternhaufen ausgestoßen wurde, verringert sich dessen stellare Dichte schnell. Dabei dehnt sich die dichte Kernregion um einen Faktor zehn aus und die Sterne des dünn bevölkerten, äußeren Randes verlassen den Sternhaufen. Somit nimmt die Zahl der Stöße deutlich ab und im Allgemeinen werden nur noch sehr wenige Scheiben während dieser Phase zerstört. Eine Folge dieser dynamischen Entwicklung ist, dass die große Menge der stellaren Stöße in der Kernregion von eingebetteten Sternhaufen deutlich die beobachtete Scheibenhäufigkeit der im Sternhaufen verbleibenden Sterne prägt und somit eine nicht vorhandene Abnahme der Scheibenhäufigkeit mit dem Sternhaufenalter suggeriert. Der große Anteil der Sterne, die den Sternhaufen verlassen und in die Feldpopulation übergehen, wird wenig von den umliegenden Sternen beeinflusst, wodurch Planetenbildung in diesen Scheiben wesentlich begünstigt ist.German
    Creators:
    CreatorsEmail
    Steinhausen, Manuelmanuelsteinhausen@web.de
    URN: urn:nbn:de:hbz:38-51705
    Subjects: Physics
    Uncontrolled Keywords:
    KeywordsLanguage
    Astrophysics star-formation stellar cluster star-disc encounters N-body simulationsEnglish
    Astrophysik Sternentstehung Sternhaufen Stern-Scheibe-Stöße VielteilchensimulationenGerman
    Faculty: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
    Divisions: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät > I. Physikalisches Institut
    Language: English
    Date: 25 March 2013
    Date Type: Publication
    Date of oral exam: 14 May 2013
    Full Text Status: Public
    Date Deposited: 26 Jun 2013 14:00:34
    Referee
    NameAcademic Title
    Pfalzner, SusanneProf. Dr.
    Krug, JoachimProf. Dr.
    URI: http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/5173

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