Magnetized Dense Cores. Observational characterization and comparison with models

Abstract

It is some observational evidence that dense cores are the birthplace of low-mass stars. These regions, apparently quiescent, are capable of surviving several free-fall times and, potentially, collapse and form stars. Despite its importance, little is known about the very first evolutionary stages of these objects. The observational challenge that studying these diffuse and extended objects represent is preventing us to reveal their properties. It is easier, from an observational point of view, to study brighter sources as the more evolved Class-0 objects. It is possible then, through theoretical models, to trace the history back of these objects and find the initial conditions that, ideally, are those of the dense cores on which they formed. On the other hand, from the theoretical point of view, many studies have considered for decades the effect of the magnetic field in models. However, the lacks of instrumentation and observational techniques have prevented us from testing the predictions. Fortunately, several telescopes have developed polarimetric system during the last years allowing us to study for the first time the magnetic fields in a reliable manner.

The complex interplay in dense cores among gravity, thermal pressure, turbulence, rotation, and magnetic field, in not well characterized due to all the previously described issues and, as a consequence, not well understood theoretically. The aim is, then, to improve our understanding on how the low-mass starless dense cores form, survive, and evolve. We faced this aim in a twofold approach. Firstly, we characterized observationally the physical, chemical, and magnetic properties of magnetized dense cores in their most initial stages, in order to understand the real initial conditions of the star-formation process. Secondly, we have compared interferometric observations of a Class-0 source to theoretical models of magnetized cloud collapse to derive the bettersuited initial conditions to form it, and the most relevant physical processes involved.

To study the very young dense cores, we selected the Pipe nebula. This cloud presents very low star-formation efficiency (~0.06 %) and it is permeated by a uniform magnetic field. The nebula harbours more than a hundred very young dense cores mostly quiescent. We have mapped dense cores with densities below 10(5) cm(-3), lower than the typical values reported in literature. These cores present structures compatible with Bonnor-Ebert spheres, which suggests that they can be in a state close to hydrostatic equilibrium with the environment. Moreover, we discovered a very rich and varied chemistry, unexpected taking into account previous works in similar sources. Even in such young and diffuse objects, it is possible to distinguish differentiated chemical properties that allow us to propose an observational characterization and to suggest a possible evolutionary sequence. Some of the cores present chemical properties compatible with ages of 1 million years, but the lack of signposts of collapse suggests that active supporting non-thermal sources are acting. The lack of spherical symmetry also implies that some anisotropic force is present. The reported sub-Alfvénic turbulence points to magnetic field as this agent, which would cause the flattened shapes. NGC 1333 IRAS 4A is the ideal source to test magnetized low-mass cloud collapse models as it is a young Class-0 source with a collapsing envelope of gas and dust and a detected magnetic field with a clear hour-glass shape. We have confirmed that its properties can be satisfactorily explained with the standard model of star formation. The ideal-MHD models lead to better results, and the use of a temperature profile improves the agreement with the observational data. The initial conditions of the models, with sizes of ~0.1 pc and centrally peaked densities, agree with the results found toward the Pipe nebula dense cores. The intensity of the magnetic fields used in the models can be scaled to the values obtained for the diffuse gas with a power-law such as B-alpha-ro (1/2) typical of magnetized clouds evolving through ambipolar diffusion. From a technical point of view, the method used can establish the starting point in the way the ALMA data will be analyzed. The high quality of the data will make possible this kind of analysis, and foresees a huge improvement in our understandings of the star-formation process.

És una evidència observacional que els nuclis densos són llocs de naixement d’estrelles de baixa massa. Aquestes regions aparentment inactives són capaces de sobreviure diverses vegades l’escala temporal de caiguda lliure i, potencialment, col•lapsar per formar estrelles. Malgrat la seva importància se’n coneixen pocs detalls dels primers estadis evolutius d’aquests objectes. El desafiament observacional que representa estudiar objectes tan difusos i estesos ens dificulta revelar-ne les respostes. Resulta molt més senzill, des d’un punt de vista observacional, estudiar fonts més brillants com les més evolucionades Classe-0, de les quals se’n pot revertir la història en base a models teòrics i trobar-ne les condicions inicials que són, idealment, aquelles dels nuclis densos on s’han format. Per altra banda, des d’un punt de vista teòric, molts estudis han considerat l’efecte del camp magnètic en els seus models durant dècades. No obstant això, la mancança d’instrumentació i tècniques observacionals impedien contrastar-ne les prediccions. Per fortuna, diversos telescopis han desenvolupat sistemes polarimètrics durant els darrers anys permetent estudiar per primera vegada i de forma fiable el camp magnètic.

Per tot això, la complexa interacció als nuclis densos entre gravitació, pressió tèrmica, turbulència, rotació i camp magnètic no està ben caracteritzada observacionalment i, com a conseqüència, tampoc ben entesa teòricament. L’objectiu és, aleshores, aprofundir en la comprensió de com es formen, sobreviuen i evolucionen els nuclis densos de baixa massa. Aquest objectiu l’hem enfrontat seguint dues vessants. En primer lloc, hem caracteritzat observacionalment les propietats físiques, químiques i magnètiques dels nuclis densos magnetitzats als seus estadis més primigenis, a fi d’entendre les vertaderes condicions inicials del procés de formació estel•lar. En segon lloc, hem comparat les observacions interferomètriques d’una font Classe-0 amb models teòrics de col•lapse de núvols magnetitzats, per derivar-ne les condicions inicials més adients per formar-la i els processos físics que n’han dominat l’evolució.

Per a l’estudi dels nuclis densos primigenis hem seleccionat la nebulosa de la Pipa, que presenta una eficiència de formació estel•lar molt baixa (~0.06 %) i està penetrada per un camp magnètic uniforme. La nebulosa alberga més d’un centenar de nuclis densos molt joves majoritàriament inactius. Hem mapat nuclis densos amb densitat per sota de 10(5) cm(-3), molt per sota dels valors reportats a la literatura. Aquests nuclis presenten una estructura compatible amb esferes de Bonnor-Ebert, el que suggereix que es poden trobar en situació d’equilibri hidrostàtic amb el seu entorn. A més, hem descobert una química molt rica i variada, inesperada tenint en compte els treballs previs en fonts d’aquest tipus. Inclús en objectes tan joves i difusos, és possible distingir característiques químiques pròpies que permeten definir grups i establir una possible seqüència química evolutiva. Alguns dels objectes mostren propietats químiques típiques d’edats de 1 milió d’anys, però la mancança d’indicis de col•lapse gravitatori suggereix que hi ha actives fonts de suport no tèrmiques. La falta de simetria esfèrica també implica que alguna força anisotròpica està actuant. La turbulència sub-Alfvénica apunta a que el camp magnètic pot ser aquest agent, el que causaria les formes aplanades.

NGC 1333 IRAS 4A és la font ideal per a testejar els model de col•lapse magnetitzat a baixa massa perquè es una Classe-0 jove amb un embolcall de gas i pols en fase de col•lapse on es detecta un camp magnètic amb clara morfologia de rellotge d’arena. Hem confirmat que les seves propietats poden ser explicades satisfactòriament amb el model estàndard de formació estel•lar. Els models de magnetohidrodinàmica idealitzada condueixen a millors resultats, i l’ús de un perfil de temperatura millora l’acord amb les dades. Les condicions inicials dels models, amb mides de ~0.1 pc i densitats creixents cap al centre, concorden amb els resultats als nuclis densos de la nebulosa de la Pipa. La intensitat del camp magnètic inicial usat pels models poden ser escalats als valors obtinguts per al gas difús de la Pipa amb una llei del tipus B-alfa-ro(1/2) típica de núvols magnetitzats. Des d’un punt de vista més tècnic, el mètode que hem emprat pot establir un punt de referència en la manera en que les futures dades d’ALMA seran analitzades. La alta qualitat de les dades farà possible aquest tipus d’anàlisis, i fa preveure una gran millora en l’enteniment del procés de formació estel•lar.