Universität zu Köln

Rohde, Paul ORCID: 0000-0003-4859-7494 (2022). Episodic outflow feedback in low-mass star formation. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Protostellar outflows are a ubiquitous signpost of star formation. Even the youngest and most embedded sources launch outflows that entrain ambient core material, significantly altering the whole accretion phase of protostars. Thereby outflows reduce the star formation efficiency and determine the finial stellar mass. By extracting angular momentum outflows allow the stars to accrete mass from their surrounding accretion discs. In the case of low-mass star formation, outflows are considered to be the most important feedback mechanism. Observations of long chains of outflow bullets show that outflow feedback is episodic rather than continuous. How episodic outflow feedback impacts the evolution and outcome of star formation is still not fully understood. This thesis contains three publications addressing the impact of episodic outflow feedback on the star formation process and the fossil information carried by the outflows. Using an episodic, sub-grid outflow model in a total of 111 numerical smoothed particle hydrodynamics simulations are performed to follow the star formation process through the early stages. These simulations contain a resolution and parameter study showing that episodic outflow feedback is highly self-regulating. Episodic protostellar outflows entrain about ten times their initially ejected mass, thereby approximately halving the star formation efficiency, resulting in a shifted stellar initial mass function. Protostellar outflows affect how the stars accrete by promoting disc accretion over radial accretion. The promoted disc accretion enhances the fraction of equal-mass twin binaries to a fraction in good agreement with observations. Simulations without outflow feedback form more stars and higher-order multiple systems, which predominantly break apart into binary systems. Outflow feedback enhances the stability of higher-order multiple systems such that the resulting multiplicity statistics are in good agreement with observations. Since the accretion of gas and the launching of outflows are highly connected, protostellar outflows carry fossil records of the launching protostar's accretion history. Hubble wedges in position-velocity diagrams correspond to episodically ejected outflow bullets that have not yet interacted with the cavity wall. Using the kinematic information carried by the outflow and especially by the bullets, it is possible to estimate stellar accretion rates. Dynamical ages of outflows and individual bullets give an estimate of the protostellar age and a history of outburst events. The outflow opening angle and activity help to differentiate between evolutionary stages. This information combined allows a reconstruction of the launching protostars accretion history. Episodic outflows significantly shape the evolution and morphology of the star formation process and should therefore be considered when studying star formation.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated title:	Title Language UNSPECIFIED German
Translated abstract:	Abstract Language Protostellare Ausfl\"usse, Outflows genannt, sind ein eindeutiges Zeichen aktiver Sternentstehung. Selbst die j\"ungsten und eingebettetsten Protosterne sto\ss{}en Outflows aus, die umgebendes Kernmaterial mitrei\ss{}en und so die gesamte Akkretionsphase von Protosternen erheblich beinflussen. Auf diese Weise reduzieren Outflows die Effizienz der Sternentstehung und bestimmen die finale Sternmasse. Durch die Extraktion von Drehimpuls erm\"oglichen Outflows den Protosternen Masse aus ihren umgebenden Scheiben zu akkretieren. Bei massearmer Sternentstehung gelten Outflows als der wichtigste Feedback Mechanismus. Beobachtungen langer Ketten von Ausflusskugeln, engl. Outflow Bullets, zeigen, dass Outflow Feedback eher episodisch als kontinuierlich ist. Wie episodische Outflows den Prozess der Sternentstehung und dessen Ausgang im Detail beeinflusst, ist noch umstritten. Diese Arbeit enth\"alt drei wissenschaftliche Publikationen, die sich mit der Auswirkung von episodischem Outflow-Feedback auf den Sternentstehungsprozess und die fossilen Informationen, die von den Outflows mitgetragen werden, besch\"aftigen. Unter Verwendung eines episodischen Outflowmodells werden insgesamt 111 numerische \dq Smoothed Particle Hydrodynamic\dq \, Simulationen durchgef\"uhrt, um den Sternentstehungsprozess durch die ersten Phasen zu verfolgen. Diese Simulationen beinhalten eine Aufl\"osungs- und Parameterstudie, wobei die Letztere zeigt, dass episodisches Outflow Feedback in hohem Ma\ss{}e selbstregulierend ist. Episodische protostellare Outflows rei\ss{}en etwa das Zehnfache ihrer urspr\"unglich Masse mit sich, wodurch sich die Sternentstehungseffizienz ungef\"ahr halbiert, was zu einer verschobenen stellaren Anfangsmassefunktion f\"uhrt. Outflows beeinflussen, wie die Sterne akkretieren, indem sie die Scheibenakkretion gegen\"uber der radialen Akkretion f\"ordern. Ein h\"oherer Anteil an Scheibenakkretion erh\"oht den Anteil der Zwillingssterne mit fast gleicher Masse, sodass dieser gut mit Beobachtungen \"ubereinstimmt. Simulationen ohne Outflow Feedback bilden mehr Sterne und Mehrfachsysteme h\"oherer Ordnung, welche \"uberwiegend zu Doppelsternsystemen auseinanderbrechen. Outflow Feedback erh\"oht die Stabilit\"at von Mehrfachsystemen h\"oherer Ordnung, sodass die resultierende Vielfachheitsstatistik in guter \"Ubereinstimmung mit Beobachtungen ist. Da die Akkretion von Gas und das Emittieren von Outflows eng miteinander verkn\"upft sind, tragen protostellare Outflows die Akkretionsgeschichte des emittierenden Protosterns mit sich. Hubble-Wedges in Positions-Geschwindigkeits Diagrammen entsprechen episodisch emittierten Outflow Bullets, die noch nicht mit der Hohlraumwand interagiert haben. Mit Hilfe der kinematischen Informationen, die der Outflow und insbesondere die Bullets tragen, ist es m\"oglich, stellare Akkretionsraten abzusch\"atzen. Mittels dynamischer Alter der Outflows l\"asst sich das Alter der Protosterne absch\"atzen. Der \"Offnungswinkel und die Aktivit\"at des Outflows helfen bei der Unterscheidung zwischen Entwicklungsstadien. Diese Informationen kombiniert erlauben die Rekonstruktion der Akkretionsgeschichte des Protosterns. Episodische Outflows pr\"agen ma\ss{}geblich die Entwicklung und Morphologie des sternentstehungs Prozess und sollten daher bei deren Untersuchung ber\"ucksichtigt werden. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Rohde, Paul paulrohde@hotmail.de orcid.org/0000-0003-4859-7494 UNSPECIFIED
Contributors:	Contribution Name Email Censor Walch-Gassner, Stefanie walch@ph1.uni-koeln.de Censor Schilke, Peter schilke@ph1.uni-koeln.de
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-554521
Date:	28 February 2022
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Physics > Institute of Physics I
Subjects:	Natural sciences and mathematics Physics
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language star formation English outflow English episodic accretion English
Date of oral exam:	21 July 2021
Referee:	Name Academic Title Walch-Gassner, Stefanie Prof. Dr. Schilke, Peter Prof. Dr.
Related URLs:	Publication Publication Publication
Funders:	ERC starting grant No. 679852 `RADFEEDBACK'
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/55452