De karakteristieke emissie banden van PAKs zijn waargenomen in veel verschillende soorten gebieden in het heelal, waaronder de sterwinden rondom uitgestorven sterren, in andere sterrenstelsels, en in stervormingsgebieden.
Men denkt dat PAKs voornamelijk gevormd worden in de sterwinden van koolstof-rijke sterren welke aan het einde van hun leven zijn gekomen. In deze wind geven de relatief hoge dichtheid, hoge temperatuur en hoge fractie van het aanwezige koolstof de juiste condities voor het vormen van de eerste koolstofringen die de bouwstenen vormen voor grotere PAK moleculen. De materie in de sterwind komt uiteindelijk te-recht in de ruimte tussen de sterren genaamd het interstellaire medium. PAKs zijn dan ook waargenomen in het interstellaire medium, met name in de buurt van heldere sterren die voor voldoende UV zorgen om de PAKs aan te stralen.
Figuur 7.2: Spitzer mid-infrarood spectra van twee jonge sterren met schijven. De karakteris-tieke emissie banden van PAKs zijn alleen zichtbaar in richting de ster RR Tau.
zich anders dan de typische stofdeeltjes. Op grote afstanden van sterren, waar de intensiteit van het interstellaire stralingsveld laag is, is het meeste stof te koud om infraroodstraling uit te zenden. In deze gebieden kunnen PAKs, door UV absorptie, wel nog veel straling uitzenden in het infrarood.
PAKs spelen een belangrijke rol in de gebieden waar zij worden waargenomen. In het interstellaire medium dragen ze bij aan de temperatuur balans van de materie. Ze zijn een goede markering van de aanwezigheid van UV straling en daardoor indirect een goede indicator voor stervorming in gebieden waar de dichtheid erg hoog is. In de schijf rondom jonge sterren vormen ze een maat voor de sterkte van het stralingsveld in het oppervlakte van de schijf, en kunnen ze gebruikt om de structuur van de schijf te bepalen. Daarnaast kunnen PAKs ook de schijf be¨ınvloeden, bijvoorbeeld door na absorptie van UV-straling elektronen uit te zenden welke de gemiddelde elektrische lading van het lokale stof veranderen en het gas door botsingen kunnen verhitten.
Ook voor de chemie zijn PAKs belangrijk. In de ruimte is de dichtheid zo laag dat chemische reacties waarbij meer dan twee deeltjes nodig zijn eigenlijk niet voorkomen omdat botsingen tussen slechts twee deeltjes al heel uitzonderlijk zijn. Als een klein stofdeeltje met een groot oppervlak vormen PAKs een lokatie voor atomen om op vast te haken, waar atomen elkaar met grotere kans kunnen vinden voor chemische reactie.
PAKs in Schijven rond Jonge Zon-type Sterren 118
DIT PROEFSCHRIFT
In dit proefschrift behandelen we de rol van PAKs in de omhulsels en schijven rondom jonge zon-type sterren. We behandelen daarbij de volgende vragen. Wat gebeurt er met PAKs in de vroege fase van stervorming, wanneer de protoster nog omhuld wordt door een wolk van gas en stof? Zijn PAKs aanwezig in de jonge, zich nog vormende lage massa zonnestelsels? Komt de straling van PAKs in deze bronnen van de omliggende gaswolk of van het materiaal in de circumstellaire schijf? Hoe groot zijn de moleculen zoals wij ze waarnemen in deze gebieden? Wat kunnen wij uit hun aanwezigheid leren over de schijfstructuur, de evolutie en over stofgroei?
We gebruiken in deze studie enkele van de meest moderne nieuwe infrarood spec-trometers en camera’s, welke in de afgelopen 3–10 jaar beschikbaar zijn gekomen, waaronder de ISAAC en VISIR instrumenten op de Very Large Telescope in Chili, en ook het IRS instrument aan boord van de NASA Spitzer Space Telescope.
In Hoofdstuk 2 presenteren wij de eerste studie met de Spitzer infrarode ruimte-telescoop naar de aanwezigheid van PAKs rondom jonge lage en middelzware jonge sterren. PAKs worden in slechts 4 van de 37 zon-type sterren gevonden (±11%), wat een lagere factie is dan waargenomen richting middelzware sterren (54%). Uit bereke-ningen met stralingstransport modellen concluderen wij dat de abondantie van PAKs in deze bronnen minstens 10–100x lager moet zijn dan in het interstellaire medium en dat bij deze abondantie onze waarnemingen niet gevoelig genoeg waren voor het waarnemen van PAKs rondom nog koudere (T ≤ 4200) jonge sterren. De 11.2 µm PAK emissie lijn wordt het best waargenomen, terwijl de emissielijnen bij 7.7 en 8.6 µm in de meeste gevallen worden versluierd door de aanwezigheid van emissie van silicaten.
In Hoofdstuk 3 presenteren wij ´e´en van de eerste ruimtelijk opgeloste plaatjes van stof en PAKs in een schijf rondom een hele lage massa ster, van type M0, IRS 48. Deze ster is de laagste massa ster waarvoor PAKs zijn waargenomen. De PAKs zijn direct aanwezig in de sterschijf zelf, en diens aanwezigheid duidt op extra UV emissie van de centrale ster. Uit de plaatjes concluderen we verder dat er een gat in het binnenste deel van de schijf is gevormd waar de grootste stofdeeltjes verwijderd zijn, vermoe-delijk door de aanwezigheid van een vormende planeet. Dit ogenschijnlijke gat in de stofpopulatie in het binnendeel van de schijf wordt opgevuld met PAK emissie, of-tewel emissie van kleine stofdeeltjes. Deze ruimtelijke scheiding van kleine en grote stofdeeltjes duidt erop dat de twee stofpopulaties verschillend evolueren.
In Hoofdstuk 4 presenteren wij een studie naar de ruimtelijke verdeling van PAK emissie rondom protoplanetaire schijven. Hiervoor maken we gebruik van de hoge ruimtelijke resolutie van de ESO Very Large Telescope en de ISAAC, VISIR en NACO instrumenten. Uit de waarnemingen blijkt dat de PAK emissie wordt uitgezonden op kleine schaal van enkele tientallen tot ± 100 Astronomische Eenheden. Dit bevestigt dat de PAKs direct geassocieerd zijn met de schaal van de stofschijf en niet alleen toe te kennen zijn aan diffuse voorgrond emissie van de oorspronkelijke gaswolk waaruit de ster is ontstaan. Deze kleine schaal van ruimtelijke uitgebreidheid van de PAK emissie bij 8.6 en 11.2 µm is consistent met grotere PAKs van ≥ 100 koolstof atomen.
In Hoofdstuk 5 presenteren wij de eerste spectroscopische studie met VLT-ISAAC en de Spitzer ruimtetelescoop naar de aanwezigheid van PAK emissie in de vroege
fa-se van lage massa jonge sterren, wanneer deze nog omgeven worden door een wolk van gas en stof (Klasse I). We vinden dat er in het overgrote deel van deze Klasse I bronnen (∼97%) geen PAK emissie direct geassocieerd is met de centrale ster. Uit mo-delberekeningen concluderen wij dat de PAK abondantie in deze bronnen minstens een factor 10–20 lager moet zijn dan in het interstellaire medium. Dit zou kunnen ge-beuren doordat meerdere PAKs samengeklonterd zijn tot grotere PAKs en/of doordat PAKs in deze fase zijn uitgevroren op de ijslaagjes van stofdeeltjes.
I was born on March 18, 1980 in the town of Naarden. I have spent the first 2 decades of my life in the city of Almere, which is only a few years older than myself. During my third year at high school, I was among a few students invited to attend a master-class at the University of Amsterdam on “Neutron Stars and Black Holes” at which point physics and astronomy really captured my interest. In 1998, I started my studies astrophysics at the University of Amsterdam and obtained my Master of Science de-gree (“doctoraal”) in January of 2003. During my third year I had an early opportunity to go and assist on a 12 nights observing run at the Observatoire de Pic du Midi, in the Pyrenees. As a result, I returned the next year as principal observer and wrote my Master’s Thesis on our “Discovery of a Magnetic Field in the Early B-type star ζ Cas-siopeia”, under the supervision of Prof. Dr. Huib Henrichs. I began my PhD studies at Leiden University in February 2003 under the supervision of Prof. Dr. Ewine van Dishoeck. The purpose of the thesis work was to study the dust around young low-mass stars using data from the NASA Space Infrared Telescope Facility, which is now known as the Spitzer Space Telescope.
During my time in Leiden, I have been on three observing trips to the ESO Very Large Telescope in Chile and one to the 3.6 meter Telescope at La Silla Observato-ry in Chile. I have had the privilege of joining the team behind one of the six large Spitzer Legacy programs, “From Molecular Cores to Planet-forming Disks”, working with highly sensitive mid-infrared spectroscopy and imaging from the Spitzer Space Telescope. I have been involved in the Guaranteed Time Observation program of the Dutch-French team working on the mid-infrared spectrometer and imager VISIR on the ESO Very Large Telescope. I have been on working visits to the Max Planck Insti-tut in Heidelberg and the University of Texas in Austin.
In November of 2007, I will move to Canada, to work as a Postdoctoral Fellow at the University of Toronto, in the group of Prof. Dr. Ray Jayawardhana.
In closing, I would like to express my gratitude to all the people without whose support this thesis would not have been possible.
First of all, I am grateful for the opportunity to do my PhD research at Leiden Obser-vatory. The Observatory has a stimulating and professional atmosphere, with a steady stream of visitors, new students, PhDs, postdocs (and even staff) to learn from and share ideas with. A special thank you to the staff who keep the Observatory running so smoothly, especially throughout our recent period of growth. My thanks to Kirsten and Jeanne for all the times you helped me with rooms, beamers, faxes, etc., as well as the ever helpful people from the computer group, who maintain the most stable and visitor-friendly computing environment I have encountered so far.
My thesis research has been primarily funded by NWO, through the Spinoza grant of Professor Ewine van Dishoeck. In addition, I am grateful for the financial support from the Leidsche Kerkhoven Bosscha Fonds, Leids Sterrewacht Fonds, the c2d pro-gram and the European PLANET network, for conferences, work visits and observing trips.
The wealth of observations which form the basis of this thesis are all thanks to the many national and international collaborations which Leiden Observatory and parti-cularly our Astrochemistry group are involved in. Within the Dutch astronomical com-munity, I have enjoyed participating in the ISM/CSM meetings and the Dutch VISIR GTO team. An essential part of this thesis are the observations I have carried out at the ESO telescopes in Chile, and I’m grateful to their staff for making those visits both sci-entifically fruitful and enjoyable. I consider myself fortunate to have been involved in the Spitzer Legacy program “From Molecular Cores to Planet Forming Disks”, which brought me, straight from the start of my thesis research, into contact with a large in-ternational group of talented researchers and which has offered many opportunities to travel the world for team meetings, conferences and work visits as well as collabo-rations for the future. The program has led to a wealth of interesting observations, of which only a small fraction is covered in this thesis.
On both a scientific and social level, I have really enjoyed my time with all the people from the Astrochemistry group and recently also the Disk Evolution group. I’m glad chance brought me into the North End club on the third day I started here. We never quite managed to do one of their whiskey tasting nights but I believe our New Year’s party made up for it. A big thank you to all the people who have contributed to and shared in our little coffee club. At last count we have pinned up forty-two different coffee labels!
PAHs in Disks around Young Solar-type Stars 124
To my office mates: Jean-Charles, our discussions were always educating and en-joyable and helped me out a lot when I just started. Saskia, I have great admiration for the light-hearted manner in which you managed to complete your thesis, despite the difficult circumstances. Dave, I owe it to you for upholding our fine coffee tradition, especially after Fredrik, Jes, Jean-Charles and Klaus left.
Tot slot een woord aan mijn ouders en familie. Jullie onmisbare steun, advies en interesse hebben mij altijd geholpen om mijzelf verder te ontwikkelen.
Kerstin, jouw onvoorwaardelijke liefde, geduld en zorg hebben dit alles mogelijk gemaakt. Ik heb geluk dat ik mijn jaren in Leiden met jou mocht delen en ik kijk uit naar ons nieuwe avontuur.