Radiative transfer modelling and observations of clumpy, dusty astrophysical environments

Scicluna, Peter

This thesis explores selected aspects of cosmic dust through a series of case studies of different dusty environments, in particular those where the dust distribution is clumpy. Cosmic dust plays a key role in a number of physical processes: it allows stars to lose mass, adding heavy elements to the interstellar medium; it helps regulate the formation of sun–like stars; it allows the formation of complex molecules in space; and perhaps most importantly of all, it gets turned into planets, plants, and even people. However, it must be studied indirectly, through the detection of stellar photons that have interacted with interstellar dust, or by observing photons emitted by dust which is heated by stars. As a result, it is crucial to understand the interactions of photons with dust, and their propagation through dusty environments; this necessitates radiative transfer modelling. This thesis explores the influence of the geometrical distribution of dust on observations of the extinction of starlight by dust, which is one of the main methods for constraining the properties of dust. Modelling work shows that geometrical effects in clumpy environments compromise efforts to constrain dust properties in embedded or extragalactic environments, but that diffuse interstellar extinction measurements are unaffected. It also considers the possibility that stars in a clumpy molecular cloud might interact with the dense clumps, which is found to be a surprisingly probable occurrence. This is shown to result in the possible accretion of a sufficient supply of material to form a protoplanetary disc, opening the possibility of a second epoch of planet formation, with a diverse range of potential consequences for young planetary systems. Results of simultaneous modelling of both components of the binary young–stellar–object VV Corona Australis are presented, which show that both discs have similar inclinations, but rather large scale heights. Based on the model results, an age of 3.5 Myr is derived for the system, and stellar masses of 1.7 M ; in combination with near–infrared spectroscopy, this suggests an accretion rate of 4 × 10−8 M yr−1 for the primary. Finally, the results of a high–contrast imaging and polarimetric study of the dusty mass–loss envelope of the nearby extreme red supergiant VY Canis Majoris are presented, along with a new radiative transfer model of the envelope. The radiative transfer model reveals the presence of at least 6 × 10−3 M of dust, implying that the star has ejected at least 1 M in the last 1000 yr. Polarimetric imaging reveals the presence of dust grains ∼ 50 times larger than dust in the interstellar medium; grains of this size are likely to survive the eventual supernova of VY CMa provided it does not occur within the next 5000–10000 yr. This suggests that pre–supernova mass loss can make a significant contribution to the dust content of galaxies in the early universe.

In dieser Dissertation werden ausgewählte Aspekte kosmischen Staubs aus einer Vielzahl klumpiger Staubverteilungen untersucht, unter Zuhilfenahme mehrerer Fallstudien. Kosmischer Staub spielt eine wichtige Rolle in einer Reihe von physikalischen Prozessen: Er ermöglicht Sternen durch Abgabe schwerer Elemente an das interstellare Medium Masse zu verlieren, er hilft, durch Regulierung, bei der Entstehung sonnenähnlicher Sterne, er ermöglicht die Bildung von komplexen Molekülen im All aber vor allem ist er die Grundlage der Entstehung von Planeten, Pflanzen und sogar Menschen. Allerdings kann Staub nicht direkt untersucht werden. Ein Nachweis ist durch stellare Photonen möglich, welche mit interstellaren Staub interagiert haben oder auch durch thermische Strahlung von Staub, der durch den Stern aufgeheizt wurde. Infolgedessen ist es wichtig die Wechselwirkungen von Photonen mit Staub und deren Ausbreitung in staubigen Umgebungen zu verstehen. Zu diesem Zweck wird Strahlungstransportmodellierung angewendet. Diese Arbeit untersucht den Einfluss geometrischer Verteilungen von Staub auf Beobachtungen von Staubextinktion von Sternenlicht. Dies ist eine der wichtigsten Methoden für die Bestimmung von Staubeigenschaften. Die Ergebnisse der Modellierungen zeigen, dass geometrische Effekte in klumpigen Umgebungen das Bestimmen von Staubeigenschaften in eingebetteten oder extragalaktischen Umgebungen unmöglich machen. Diffuse interstellare Extinktionsmessungen sind davon allerdings nicht betroffen. Weiterhin wird die Möglichkeit untersucht, dass Sterne, welche in einer klumpigen Molekühlwolke eingebettet sind, mit sehr dichten Klumpen wechselwirken könnten. Dabei finden diese Wechselwirkungen überraschend häufig statt. Dies kann durch Akkretion ausreichender Masse zur Bildung einer protoplanetaren Scheibe führen. Falls dadurch eine zweite Planetenenstehungsepoche ausgelöst wird, ergäben sich vielfältige mögliche Konsequenzen für das junge Planetensystem. Die Ergebnisse der gleichzeitigen Modellierung beider Komponenten des jungen Binärsterns VV Corona Australis werden vorgestellt. Diese zeigen, dass beide Scheiben eine ähnlich kleine Inklination und große Skalenhöhen besitzen. Aus der Modellierung ergibt sich ein Alter des Systems von 3,5 Myr und jeweils eine Sternenmasse von 1,7 M . Zusammen mit den Ergebnissen der Nah-Infrarot-Spektroskopie kann auf eine Akkretionsrate von 4 × 10−8 M yr−1 für die primäre Komponente geschlossen werden. Schließlich werden die Ergebnisse einer Hochkontrastaufnahme und polarimetrischen Untersuchung der staubigen Massenverlustshülle des nahen roten überriesen VY Canis Majoris vorgestellt. Ebenfall wird ein neues Strahlungstransportmodell für die staubige Massenverlustshülle vorgestellt. Dieses zeigt, dass das System mindestens 6 × 10−3 M Staub beinhaltet. Um diese Menge zu erreichen, muss der Stern in den letzten 1000 Jahren mindestens 1 M Material ausgeworfen haben. Polarimetrische Beobachtungen offenbaren das Vorhandensein von Staubkörnern, welche ∼ 50-mal größer sind als Staub im interstellaren Medium. Körner dieser Größe könnten wahrscheinlich eine Supernova von VY CMa überleben, sofern diese nicht innerhalb der nächsten 5000-10000 Jahren ausgelöst wird. Dies deutet darauf hin, dass Massenverlust von Überriesen vor ihrer Supernova einen wesentlichen Beitrag zum Staubgehalt in Galaxien des frühen Universums liefern kann.

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Scicluna, Peter: Radiative transfer modelling and observations of clumpy, dusty astrophysical environments.

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