Interstellar Bubbles

Mgr. Lenka Zychová, Ph.D.

Doctoral thesis

Abstract:

Hmotné hvězdy spektrálního typu O a B zahřívají a ionizují okolní mezihvězdnou látku, která expanduje a šíří rázovou vlnu do přilehlého plynu. Expandující plazma prostupuje skrz okolní prostředí a nabírá chladný neutrální plyn, který se často pozoruje mezi ionizační a šokovou frontou. Tento fenomén se označuje jako mezihvězdná bublina. Mezihvězdné bubliny byly poprvé objeveny a zkoumány v infračervených pozorováních. Nicméně, systematická studie, zabývající se rozložením neutrálního vodíku (HI) v bublinách, dosud chyběla. Náš výzkum je proto zaměřen na analýzu a hledání protějšků mezihvězdných bublin v pozorováních čáry HI a oxidu uhelnatého (CO), s využitím existujícího katalogu infračervených bublin. Z 24 objektů, přesahující mezní úhlovou velikost, jsme objevily 20 HI protějšků mezihvězdných bublin. Popsaly jsme jejich morfologické znaky, porovnaly jejich atomický a molekulární obsah a vypočítaly jejich základní vlastnosti, jako jsou rozměry, vzdálenost, hmotnost, hustota a expanzní rychlost. Pomocí těchto parametrů jsme odhadly jejich věk a energii potřebnou k jejich vzniku. Přestože se dle našich výsledků zdá, že molekulární plyn mezihvězdných bublin vytváří plochý prstenec, HI data jasně ukazují, že mezihvězdné bubliny jsou trojroz-měrné objekty. Některé studované mezihvězdné bubliny jsou v HI datech zřetelně viditelné jako jasné obálky, některé jsou rozpoznatelné pouze jako díry (absence HI emise v centrálních částech). Poprvé, díky této práci, byly objeveny obálky, které jsou viditelné v absorpci. Podle našich výsledků předpokládáme, že se atomární plyn během expanze shro-mažďuje, ale pravděpodobně efektivně nevytváří H2. V souladu s našimi odhady luminozit a vstupních energií předpokládáme, že většina bublin vzniká díky působení hvězd spektrálního typu B na své okolí. Samostatně jsme se věnovaly mezihvězdnému prostředí v okolí bublin N115, N116 a N117. Objevily jsme dvě nové bubliny viditelné především v HI emisi a identifikovaly dva nezávislé systémy bublin, které leží na různých vzdálenostech. Oba systémy se zdají být podobné: každý z nich obsahuje dvě velké bubliny (20-30 pc v poloměru) a jednu malou bublinu (4 pc v poloměru), která leží v místě dotyku větších bublin. Oba páry velkých bublin se pravděpodobně srážejí, což vede ke vzniku hvězd v místě srážky. Předpokládáme, že takové kolize jsou důležitým procesem a mohou zvyšovat pravděpodobnost další tvorby hvězd. Během října 2015 a července/srpna 2016 jsme provedly optická pozorování a spektroskopii na 2.2~m dalekohledu MPG/ESO umístěném na observatoři La Silla v Chile. Pozorování jsme zaměřily na horké vnitřní části bublin S1, S73 a S74. Kromě jiných výsledků jsme objevily dvojitý profil čáry [NII] (u bubliny S74), který odpovídá dvojitému profilu v HI spektru. Tento výsledek ukazuje, že přední i zadní stěna bublin může být viditelná jak v HI, tak v optickém spektru. Mezihvězdné bubliny jsou tudíž reálné 3D struktury.

Abstract:

Massive O and B stars ionize and heat the surrounding interstellar medium, which expands and drives a shock into the ambient gas. The expanding hot plasma plows through the surrounding medium and collects the cold neutral gas, which is often observed between the ionization and the shock front. These phenomena are called interstellar bubbles. Interstellar bubbles were first discovered and investigated in the infrared, but a systematic study in the distribution of the neutral hydrogen (HI) was lacking. Using a catalog of interstellar bubbles based on infrared observations, we searched for their counterparts in HI and CO (carbon monoxide) data. Out of 24 systems above a threshold angular size, we discovered HI counterparts for 20 systems, described their morphology, compared their neutral atomic and molecular content and determined their basic properties, such as size, distance, mass, density and expansion velocity. We used these parameters to estimate their energy input and age. Although the molecular content of the interstellar bubbles may be distributed in a flat ring, in HI we resolve clear 3D structures. Some of the studied interstellar bubbles are clearly visible as bright envelopes in HI data, some are recognizable only as holes (showing an absence of HI emission). For the first time, we discovered several envelopes visible in absorption. According to our results we suppose that the atomic matter is being collected and accumulated during the expansion, but probably does not effectively form H2. According to energy input requirements we assume that most of the bubbles are created by stellar feedback of B type stars. We separately studied the interstellar environment in the vicinity of N115, N116 and N117 bubbles. We discovered two new bubbles visible mainly in HI emission and identified two independent systems of bubbles, lying at different distances. Both systems include two large bubbles (20-30 pc in radius) and one small bubble (4 pc in radius) lying at the point where larger bubbles interact. The two pairs of large bubbles are probably colliding, resulting in star formation in the place of the collision. We propose that such collisions are an important mechanism and can increase the probability of further star formation. During October 2015 and July/August 2016 we performed optical observations and spectroscopy at MPG/ESO 2.2~m telescope located at La Silla observatory in Chile. We researched hot inner parts of bubbles S1, S73 and S74. Among other results we found a double peaked profile of [NII] emission (bubble S74), which corresponds to local maxima in the HI spectrum. This probably mirrors approaching and receding walls of S74 bubble, both in HI and optical spectra. This result is another evidence that interstellar bubbles are real 3D structures.

Keywords

interstellar bubbles, interstellar matter, neutral hydrogen, molecular gas, HII region

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 3. 7. 2017

Thesis defence

• Date of defence: 21. 9. 2017
• Supervisor: RNDr. Soňa Ehlerová, Ph.D.
• Reader: Dr. Laszlo Viktor Tóth, prof. RNDr. Jan Palouš, DrSc.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Physics (4-years) / Theoretical Physics and Astrophysics