The State and Evolution of Isolated Dense Molecular Cores

Abstract

This work presents studies of nearby (< 500 pc) dense molecular cloud cores, the sites of low-mass star formation. The sample includes starless and protostellar cores and allows to compare their properties in a homogenous manner. All of the projects presented here are related to an extensive dust thermal continuum emission imaging survey at 1.2 mm wavelength that probes the mass distribution of dense cores. Many of them are also related to the Spitzer Legacy Project “From Molecular Cores to Planet Forming Disks” (c2d) that stimulated the dust emission survey and provided a general framework for my thesis. The main body of this work discusses the dust emission survey and the properties and nature of an unusually faint (< 0.1 L_sun ) source that is apparently embedded in one of the dense cores surveyed.<br /> The data from the dust emission survey is used to study the physical state and evolution of starless cores, “normal” protostars, and of the recently discovered Very Low Luminosity Objects (VeLLOs). This is the first study probing VeLLO dense core properties homogeneously for a larger sample of sources. Given that this survey covers both starless and protostellar cores, it is well suited to perform comparative studies. The aim is to understand how the mass distribution in dense cores controls the presence or absence of active star formation. As part of this effort I infer conditions that are necessary (but not sufficient) for active star formation to be possible. These can be understood as a consequence of the quasistatic evolution of a dense core, but do not conclusively imply the latter. Most VeLLO cores fulfil these conditions, questioning the notion that some VeLLOs form in cores that are not sufficiently evolved to form stars. I suggest a revision of the criteria used to identify “evolved” cores. Class 0 and class I protostars covered by my survey cannot be uniquely discriminated, suggesting also a revision of criteria used to assign infrared classes.<br /> Furthermore, I report the discovery of L1148-IRS, a candidate Very Low Luminosity Object (VeLLO; L < 0.1 L_sun ) in the nearby (325 pc) L1148 dense core. The global spectral energy distribution, the morphology of nebulosity detected near 1 μm wavelength, the inferred density profile of the dense core, and the tentative detection of inward motions towards L1148-IRS are consistent with the source being an embedded protostar. It is unlikely that L1148-IRS is a galaxy by chance projected onto the L1148 dense core. I do, however, not detect hallmarks of active star formation like molecular outflows or clear bipolar nebulosity proving a protostellar nature of L1148-IRS. This is consistent with our present view of VeLLOs.<br /> If L1148-IRS is a VeLLO, then it is a very interesting one. Its present mass would be substellar, and its immediate envelope has a mass of only about 0.15 M_sun . Thus, L1148-IRS would be the first protostar to definitely have a significantly sub-solar final mass. The collapse of the natal dense core could not be understood in the framework of quasistatically evolving cores. This would make L1148 the first dense core in which non-quasistatic evolution plays a significant role.

<strong>Die Struktur und Entwicklung isolierter Molekülwolkenkerne</strong><br /> Diese Arbeit präsentiert Studien nahestehender (< 500 pc) dichter Molekülwolken-Kerne, den Orten der Entstehung massearmer Sterne. Sowohl sternlose, als auch junge Sterne enthaltende Kerne wurden untersucht. Dies ermöglicht den Vergleich der Eigenschaften dieser Objekte auf Basis eines homogenen Datensatzes. Alle hier präsentierten Projekte haben ihren Ursprung in einer umfassenden Durchmusterung von thermischer Staubstrahlung bei 1.2 mm Wällenlänge, welche die Dichteverteilung in Wolken-Kernen erfasste. Fast alle Untersuchungen haben zudem Bezüge zu dem Spitzer Legacy Projekt “From Molecular Cores to Planet Forming Disks” (c2d), welches die Staubstrahlungs-Durchmusterung anregte und einen allgemeinen Rahmen für meine Doktorarbeit bot. Der Hauptteil der Arbeit diskutiert die Staubstrahlungs-Durchmusterung und die Eigenschaften und die Natur einer ungewöhnlich leuchtschwachen (< 0.1 L_Sonne) Quelle die offenbar in einen der durchmusterten Wolken-Kerne eingebettet ist.<br /> Die Daten der Staubstrahlungs-Durchmusterung werden genutzt um den physikalischen Zustand und die Entwicklung von sternlosen Kernen, "normalen" Protosternen, als auch von erst kürzlich entdeckten sternartigen Objekten extrem geringer Leuchtkraft (Very Low Luminosity Objects, sog. VeLLOs) zu untersuchen. Damit ist diese Studie die erste welche die Eigenschaften von VeLLO-Kernen in gleicher Weise für eine grössere Anzahl von Objekten ermittelt und vergleicht. Die Durchmusterung überdeckt sternlose und protostellare Kerne, was in idealer Weise Vergleiche zwischen diesen Objekttypen ermöglicht. Das Ziel ist es zu verstehen, wie die Masseverteilung in Kernen die An- oder Abwesenheit aktiver Sternentstehung kontrolliert. Dies führt unter Anderem auf notwendige (aber nicht hinreichende) Bedingungen die für die Entstehung von Sternen erfüllt sein müssen. Diese können als Konsequenz einer quasistatischen Entwicklung von Molekülwolken-Kernen verstanden werden, beweisen diese aber nicht abschliessend. Fast alle VeLLOs erfüllen diese Kriterien, was die Auffassung in Frage stellt dass manche VeLLO-Kerne nicht aureichend entwickelt sind um Sterne zu bilden. Ich lege deshalb eine Überarbeitung jener Kriterien nahe die genutzt werden um "entwickelte" Wolken-Kerne zu finden. Protosterne der Klassen 0 und I welche die Durchmusterung überdeckt können nicht eindeutig unterschieden werden, was weiterhin die Überarbeitung von Kriterien für die Zuordnung von Infrarot-Klassen anregt.<br /> Weiterhin berichte ich von der Entdeckung von L1148-IRS, einem Kandidaten für ein Very Low Luminosity Object (VeLLO; L < 0.1 L_Sonne) in dem nahestehenden (etwa 325 pc) Wolken-Kern L1148. Die allgemeine spektrale Energieverteilung, die Morphologie eines nahe einer Wellenlänge von 1 μm beobachteten Nebels, die abgeleitete Dichteverteilung des Wolken-Kerns, sowie die mögliche Beobachtung von Einwärtsbewegungen des Gases hin zu L1148-IRS sind konsistent mit der Hypothese das diese Quelle ein Protostern ist. Es ist unwahrscheinlich das L1148-IRS eine nur zufällig hinter dem Kern L1148 stehende Galaxie ist. Allerdings finde ich keine eindeutigen Anzeichen von gegenwärtiger Sternentstehung, wie etwa molekulare Ausflüsse oder zweipolige Nebel, welche eine stellare Natur von L1148-IRS eindeutig beweisen würden. Dies ist jedoch mit unserem gegenwärtigen Verständniss von VeLLOs konsistent.<br /> Wenn L1148-IRS ein VeLLO ist, dann ist es ein aussergewöhnlicher Vertreter dieser Klasse. Die gegenwärtige Masse währe substellar, und die das Objekt direkt umschliessende Hülle hätte eine Masse von nur etwa 0.15 M_Sonne. Damit währe L1148-IRS der erste Protostern mit einer Endmasse die definitiv deutlich unter einer Sonnenmasse liegt. Zudem währe der Kollaps des umgebenden Molekülwolken-Kerns nicht im Rahmen aktueller Modelle von quasistatischer Kern-Entwicklung zu verstehen. Damit währe L1148 der erste bekannte Kern in dem nicht-quasistatische Entwicklung eine bedeutende Rolle spielen muss.