Dissertation (Metadata)
Title (original):Polarized radiation as tracer of magnetic fields in star formation
(translated):Polarisierte Strahlung als Indikator für Magnetfelder in der Sternentstehung
 
Author:Gesa H.-M. Bertrang
 
URN:NBN:urn:nbn:de:gbv:8-diss-175419
 
Faculty:Faculty of Mathematics and Natural Sciences
DDC:530 Physics
 
Date of thesis defense:2015-09-18
 
Referent:Prof. Dr. Sebastian Wolf
second reviewer(s) :Prof. Dr. Robert F. Wimmer-Schweingruber
 
Description (original):Magnetic fields are observed on a wide range of astronomical scales: from the entire cosmos, galaxies and giant molecular clouds, to smaller molecular clouds with low-mass star formation and protostellar disks, to protoplanetary disks. There is an ongoing debate about whether magnetic fields play an important role in star and planet formation. For a better understanding of the influence of magnetic fields during this process, it is necessary to study the magnetic fields on different evolutionary stages of star and planet formation with both observations and simulations. This is the goal of this thesis, which is therefore split into two parts. The first part addresses the earliest phase of star formation and presents an observational multi-wavelength polarimetry study of low-mass star-forming regions. Until now, there exists no observational evidence of a general influence of magnetic fields during the initial collapse of molecular clouds. This study examines magnetic fields and their influence during the initial collapse of low-mass star-forming regions on a wide range of spatial scales. The large-scale magnetic field structure was traced on scales of 103 − 105 AU in the local environment of the three Bok globules B335, CB68, and CB54, by optical and near-infrared polarimetry. These measurements are combined with existing sub-millimeter measurements characterizing the smallscale magnetic field structure on 102 − 103 AU. For the first time, magnetic fields in three Bok globules with different complex density structures were found to be well-ordered and dominant on large scales. The second part deals with a more evolved phase of star and planet formation, with protoplanetary disks. (Sub-)Millimeter observations of polarized radiation from protoplanetary disks enable us to study the magnetic fields within the disk. In the context of this thesis, the 3D radiative transfer code MC3D was extended by including the treatment of thermal polarization and dust grain alignment of nonspherical grains. These pioneering simulations achieve the characterization and theoretical explanation of observations of polarized radiation towards protoplanetary disks, performed for instance with the Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA). In addition to these extensions of the radiative transfer simulations, this code can be combined with magnetohydrodynamic simulations. With this polarized radiative transfer code, it is possible to model polarization maps, intensity maps, as well as polarized and unpolarized spectral energy distributions of thermal dust emission and dichroic extinction that can be fitted to or constrained by observations. These simulations demonstrate the feasibility of polarimetry on protoplanetary disks with ALMA. With simulations and observations in combination, it is possible to distinguish between different models of protoplanetary disks and magnetic fields therein.
 
(translated):Magnetfelder lassen sich auf allen astronomischen Größenskalen finden: von kosmischen Skalen, Galaxien und Riesenmolekülwolken, über kleinere, massearme Molekülwolken, bis hin zu protoplanetaren Scheiben. Die Frage, ob Magnetfelder eine wichtige Rolle in der Stern- und Planetenentstehung spielen, ist Gegenstand anhaltender Debatte. Um das Verständnis über den Einfluss von Magnetfeldern auf die Entstehung von Sternen und Planeten zu erweitern, ist es wichtig Magnetfelder auf den verschiedenen evolutionären Stufen der Stern- und Planetenentstehung mit Beobachtungen und Simulationen zu erforschen. Dies ist das Ziel der vorliegenden Arbeit, welche aus diesem Grund in zwei Teile gegliedert ist. Der erste Teil behandelt die früheste Phase der Sternentstehung, und präsentiert eine Multiwellenlängenpolarisationsstudie, durchgeführt an massearmen Sternentstehungsregionen. Bis heute gibt es keinen Hinweis aus Beobachtungen für den generellen Einfluss von Magnetfeldern auf die initiale Phase des Kollapses der Molekülwolke. Ziel dieser Studie ist es, die Magnetfelder in diesen massearmen Molekülwolken zu untersuchen und ihren Einfluss auf den initialen Kollaps weitskalig zu erforschen. Hierzu wurde die großskalige Magnetfeldstruktur auf Skalen von 103 − 105 AE in der lokalen Umgebung dreier Bok Globulen, B335, CB68 und CB54, mittels optischer und Nah-Infrarotpolarimetrie bestimmt, und kombiniert mit archivierten Daten aus dem Submillimeterbereich, welche das kleinskalige Magnetfeld auf Skalen von 102 − 103 AE charakterisieren. Auf diese Weise wurden erstmalig geordnete und damit dominierende Magnetfeldstrukturen in drei verschieden komplexen Bok Globulen über weite Skalen hinweg gefunden. Der zweite Teil beschäftigt sich mit einer fortgeschrittenen Phase der Sternund Planetenentstehung, mit protoplanetaren Scheiben. Im Rahmen dieser Arbeit ist der 3D Strahlungstransportcode MC3D um die Effekte von thermischer Polarisation und Ausrichtung von asphärischen Staubkörnern an Magnetfeldern erweitert worden. Diese Simulationen gehören zu den ersten ihrer Art und dienen dazu Beobachtungen von polarisierter Strahlung von protoplanetaren Scheiben zu charakterisieren und theoretisch zu fundieren, welche etwa mit dem Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) durchgeführt werden können. Zusätzlich wurde MC3D angepasst, um die aus Magnetohydrodynamiksimulationen resultierenden Staubdichteverteilungen und Magnetfelder zu verarbeiten. Mit diesem Strahlungstransportcode ist es nun möglich Polarisationskarten, Intensitätskarten, sowie polarisierte und unpolarisierte spektrale Energieverteilungen thermischer Staubemission und dichroitischer Absorption zu modellieren, welche zur Analyse und Vorhersage von Beobachtungsdaten dienen. Diese Simulationen demonstrieren die Machbarkeit polarimetrischer Beobachtungen protoplanetarer Scheiben mit ALMA. Mit beidem in Kombination gelingt es unterschiedliche Modelle von protoplanetaren Scheiben und ihren Magnetfeldern zu differenzieren
 
Keywords:star formation, protoplanetary disk, magnetic fields, polarization
Sternentstehung, Protoplanetare Scheiben, Magnetfelder, Polarisation
 
Documents:
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