Universität zu Köln

Cahuasquí Llerena, Juan Andrés ORCID: 0000-0002-1783-0823 (2019). Mid-infrared interferometry of young stellar objects: Detection of a hot component inside the circumbinary cavity of V892 Tau. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Stars are the essential elements of the universe that govern the evolution of galaxies and the interstellar medium. The star formation process carries two ubiquitous byproducts that dispose the excess of angular momentum: binary or higher-order stellar systems, and the formation of circumstellar disks surrounding most – if not all – stars. Although these two outputs embrace a wide field of astronomy by their own, the link between them seems to be a natural consequence. Namely, stellar and substellar companions forming multiple systems dynamically perturb primordial circumstellar disks and settle the conditions for planets to grow in such scenario. Due to their young age (<10 Myr) and observability after dispersing part of their gaseous and dusty envelope, the low-mass T Tauri (<2 Msun) and the intermediate-mass Herbig Ae/Be (2–10 Msun) stellar objects in the pre-main sequence phase are ideal laboratories to characterize protoplanetary disks. At this stage, observations with different techniques and at different wavelengths allow to investigate the star-disk environment through strong emission lines indicative of accretion of gas onto the central star, excess emission at infrared and longer wavelengths, and resolved thermal and scattered light. Additionally, a more advanced evolutionary stage in the so-called transition disks may be identified via dust-depleted cavities as consequence of forming planets, photoevaporation, self-shadowing or a dead zone inside the disk. Numerical simulations and dedicated surveys of T Tauri binary systems have revealed that the influence of the stellar companions depends on the orbital parameters and masses of the components. The evolution of disks in close binary (<1 AU) and large-separation systems (>100 AU) seems well understood. Whereas for the first case both stars would be surrounded by a common circumbinary disk, the large-separated stars may host independent circumstellar disks whose evolution is indistinct to disks around single objects. On the contrary, the understanding of intermediate-separation systems is poorer, and the disk lifetime seems to be reduced to ∼10% of the typical life expectancy because of tidal truncation effects. Nonetheless, as evidenced by some multiple objects (e.g. GG Tau A), circumbinary plus circumstellar components may coexist, and the feeding from one to another through streamers may extend the disk lifetime for planets to assemble. For Herbig stars, the bigger masses and gravitational forces at play can apparently cause a faster disk disruption. Still, observational evidence and statistical surveys to understand the spatial distribution of dust and gas, and the possibility of their survival in the inner environment are scarcer, with even only few known objects that harbour circumbinary disks. In particular, the Herbig Ae/Be object V892 Tau, also known as Elias 1, is a near-equal brightness binary system located in the Taurus-Auriga star-forming region, located at 140 pc, known to be surrounded by a large circumbinary disk. The stellar pair has a separation of ∼7 AU, and the circumbinary component has an inner radius of ∼18 AU. This doctoral thesis aims at contributing in the understanding of the central circumstellar environment of Herbig binary systems by taking advantage of the high angular (milliarcsecond) resolution provided by long-baseline interferometry, and offers the first mid-infrared multi-epoch interferometric study of V892 Tau. Due to its sensitivity to thermal emission of dust with temperatures of the order ∼100–1000 K, the MID-infrared Interferometric instrument (MIDI) at the Very Large Telescope Interferometer (VLTI) allows to resolve dusty structures within the circumbinary cavity of this particular object. The mid-IR (8–13 μm) interferometric data consisting of visibilities and differential phases, in conjunction with photometric measurements, is modelled with a temperature-gradient approach and χ2-minimization algorithms. This method allows to scrutinize the geometry of the system and discuss the possibility of dust survival within an environment affected by tidal interaction and strong gravitational forces that settle the conditions for planetary growth. By investigating different possible morphologies capable of achieving a satisfactory fit to the mid-IR observations of V892 Tau, I conclude that a disk-like dusty source in the central vicinity of the stars is the most plausible origin of near-IR flux. This newly proposed component reproduces well the photometric measurements and causes a brightness asymmetry which influences the MIDI visibilities and differential phases. Moreover, the profit of this multi-epoch study reveals that this detected source is presumably unattached to any of the stars and possesses signs of variability over the five observing runs covering a 9-year period. Nevertheless, the application of semi-physical models to reproduce interferometric signals and the detection of this near-IR floating component based on N-band data suggest caution with the interpretation of this finding. Although the outcomes clearly expose the existence of a dusty structure, a follow-up investigation with the newest second generation of interferometers and high-resolution direct imaging techniques is required to certainly determine its morphology. Granted K-band observations in forthcoming periods of V892 Tau with both astronomical techniques will complement this project and offer a wider insight into the field of planet formation and disk evolution in intermediate-separation binary Herbig objects.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Sterne sind die wesentlichen Elemente des Universums, die die Entwicklung der Galaxien und des interstellaren Mediums bestimmen. Der Stern-Entstehungsprozess trägt zwei allgegenwärtige Nebenprodukte, die den Überschuss an Drehimpuls abgeben: binäre oder höherwertige Sternensysteme und die Bildung von zirkumstellaren Scheiben, von denen die meisten - wenn nicht alle - Sterne umgeben. Obwohl diese beiden Ergebnisse ein weites Feld der Astronomie umfassen, scheint die Verbindung zwischen ihnen eine natürliche Konsequenz zu sein. Stellare und (sub)stellare Begleiter, die mehrere Systeme bilden, stören dynamisch primordiale zirkumstellare Scheiben und regeln die Bedingungen für das Wachstum von Planeten in einem solchen Szenario. Dank ihres jungen Alters (<10 Myr) und ihrer guten Möglichkeit zur Beobachtung, nachdem sie einen Teil ihrer gasförmigen und staubigen Hülle verteilt haben, sind die massearmen T Tauri (<2 Msun) und die Zwischen-Massen Herbig Ae/Be (2–10 Msun) stellare Objekte in der Phase vor der Hauptsequenz ideale Laboratorien, um protoplanetare Scheiben zu charakterisieren. In diesem Stadium erlauben Beobachtungen mit verschiedenen Techniken und bei verschiedenen Wellenlängen die Untersuchung der Stern-Scheibe-Umgebung durch starke Emissionslinien, die eine Anreicherung von Gas auf den Zentralstern, überschüssige Emission bei Infrarot- und längeren Wellenlängen und aufgelöstes thermisches und gestreutes Licht anzeigen. Zusätzlich kann über staubarme Hohlräume als Folge von Planetenbildung, Photo-Verdampfung, Selbstbeschattung oder einer Totzone innerhalb der Scheibe ein weiter fortgeschrittenes Entwicklungsstadium in den sogenannten Übergangsscheiben identifiziert werden. Numerische Simulationen und spezielle Untersuchungen von T Tauri-Binärsystemen haben gezeigt, dass der Einfluss der stellaren Begleiter von den Bahnparametern und Massen der Komponenten abhängt. Die Entwicklung von Scheiben in engen binären (<1 AU) und Systemen mit großer Separation (>100 AU) scheint gut verstanden. Während im ersten Fall die Sterne nur von einer umlaufenden Scheibe umgeben sind, können die großseparierten Sterne unabhängige zirkumstellare Scheiben beherbergen, deren Entwicklung ähnlich zu Scheiben um einzelne Objekte ist. Im Gegenteil, das Verständnis von Systemen mit mittlerer Separation ist schlechter, und die Lebensdauer der Scheiben scheint aufgrund von Gezeitenabschneidungseffekten auf ∼10% der typischen Skalen reduziert zu sein. Nichtsdestotrotz können, wie einige Mehrfachobjekte (z.B. GG Tau A) zeigen, zircumbinäre plus zirkumstellare Komponenten koexistieren und die Zuführung von einem zum anderen durch Streamer kann die Lebensdauer der Scheibe verlängern, damit sich Planeten zusammensetzen können. Für Herbig-Sterne können die größeren Massen und Gravitationskräfte offenbar eine schnellere Disruption der Scheibe verursachen. Dennoch sind Beobachtungsdaten und statistische Erhebungen zum Verständnis der räumlichen Verteilung von Staub und Gas und der Möglichkeit ihres Überlebens in der inneren Umgebung seltener, mit nur wenigen bekannten Objekten, die umlaufende Scheiben beherbergen. Insbesondere das Herbig Ae/Be-Objekt V892 Tau, auch bekannt als Elias 1, ist ein nahezu gleich-helles binäres System, das sich in der Taurus-Auriga-Sternbildungsregion befindet, die bei 140 pc liegt und bekanntermaßen von einer großen zirkumbinären Scheibe umgeben ist. Das stellare Paar hat eine Trennung von ∼7 AU, und die Umfangskomponente einen inneren Radius von ∼18 AU. Diese Dissertation zielt darauf ab, einen Beitrag zum Verständnis der zentralen zirkumstellaren Umgebung von Herbig-Binärsystemen zu leisten, indem sie die Vorteile der hochwinkligen (Milliarcsekunden) Auflösung nutzt, die durch die Interferometrie mit langer Baseline bereitgestellt wird, und bietet die erste interferometrische Multi-Epochenstudie im mittleren Infrarotbereich von V892 Tau. Das MID-Infrarot-Interferometer (MIDI) am Very Large Telescope Interferometer (VLTI) ermöglicht dank seiner Empfindlichkeit gegenüber thermischer Staubemission bei Temperaturen in der Größenordnung von ∼100–1000 K die Auflösung von staubigen Strukturen im umlaufenden Hohlraum dieses speziellen Objekts. Die interferometrischen Daten im mittleren IR-Bereich (8–13 μm), die aus Visibilities und Differentialphasen bestehen, werden in Verbindung mit photometrischen Messungen mit einem Temperaturgradientenansatz und χ2-Minimierungsalgorithmen modelliert, um die Geometrie des Systems zu untersuchen und die Möglichkeit des Staubüberlebens in einer Umgebung zu diskutieren, die durch Gezeitenwechselwirkung und starke Gravitationskräfte beeinflusst wird, die die Bedingungen für das planetare Wachstum festlegen. Die Untersuchung verschiedener möglicher Morphologien, die in der Lage sind, eine zufriedenstellende Anpassung an die Mittel-IR-Beobachtungen von V892 Tau kommt zu dem Schluss, dass eine scheibenförmige staubige Quelle in der zentralen Umgebung der Sterne der plausibelste Ursprung des Nah-IR-Flusses ist, der den photometrischen Messungen entspricht, und eine Helligkeitsasymmetrie erzeugt, die die MIDI-Sichtbarkeiten und Differenzphasen beeinflusst. Darüber hinaus zeigt diese Multi-Epochen-Studie, dass diese neu entdeckte Komponente vermutlich nicht an einen der Sterne gebunden ist und Anzeichen von Variabilität über die 5 Beobachtungsläufe über einen Zeitraum von 9 Jahren aufweist. Die Anwendung von semi-physikalischen Modellen zur Reproduktion interferometrischer Signale und die Detektion dieser near-IR Floating-Komponente auf Basis von N-Band-Daten lassen Vorsicht bei der Interpretation dieses Befundes zu. Die Ergebnisse zeigen jedoch deutlich die Existenz einer staubigen Struktur, deren Untersuchung mit der neuesten zweiten Generation von Interferometern und hochauflösenden Direktabbildungstechniken fortgesetzt werden muss. Bewilligte K-Band-Beobachtungen in den kommenden Perioden von V892 Tau mit beiden astronomischen Techniken werden dieses Projekt ergänzen und einen breiteren Einblick in das Feld der Planetenbildung und Scheibenentwicklung in binären Herbig-Objekten mit Zwischentrennung bieten. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Cahuasquí Llerena, Juan Andrés jacahuasqui@gmail.com orcid.org/0000-0002-1783-0823 UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-96373
Date:	20 May 2019
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 interferometry English high-angular resolution English planet formation English V892 Tau English circumbinary disk English circumstellar disk English temperature-gradient model English
Date of oral exam:	25 October 2018
Referee:	Name Academic Title Labadie, Lucas Prof. Dr. Kiendler-Scharr, Astrid Prof. Dr. Sperl, Matthias Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/9637