Radio continuum observations of the micro

Abstract

El estudio de la microf´ısica del polvo c´osmico abarca diversos fen´omenos astrof´ısicos: desde los mecanismos de emisi´on en el medio interestelar, hasta la formaci´on de planetesimales en discos circumestelares. En este contexto, los estudios observacionales de alta resoluci´on angular permiten comprender las propiedades de los granos de polvo y su interacci´on con el entorno. Esta tesis se enfoca en el an´alisis de los mecanismos de emisi´on del polvo en longitudes de onda de radio, (sub)milim´etricas e infrarrojas, desde la escala de tama˜no de nubes moleculares, hasta la de discos protoplanetarios. La Emisi´on An´omala en Microondas (AME) es un mecanismo de emisi´on que coincide con la radiaci´on dipolar el´ectrica de granos de polvo muy peque˜nos que giran r´apidamente. Sin embargo, la naturaleza de los granos y los mecanismos responsables de su rotaci´on no se han confirmado. Esta tesis presenta observaciones de alta resoluci´on angular del Cosmic Background Imager 2 que revelan variaciones del AME en la regi´on de fotodisociaci´on ρ OphW. El m´aximo, a 31 GHz, se concentra en la regi´on de fotodisociaci´on, y muestra una fuerte correlaci´on con la presencia local de Hidrocarburos Arom´aticos Polic´ıclicos, prevalentes en el medio interestelar. Esto sugiere que las variaciones del AME dependen de las caracter´ısticas ambientales de la regi´on y de sus efectos sobre las propiedades de los granos de polvo. El campo magn´etico desempe˜na un rol importante en el colapso de los n´ucleos pre-estelares y en las condiciones iniciales de la formaci´on de discos protoplanetarios. Esta tesis presenta datos de emisi´on de polvo polarizada de los n´ucleos pre-estelares en la regi´on W43-MM1, tomados con el Atacama Large Millimeter Array (ALMA). El an´alisis de la relaci´on entre el campo magn´etico y los n´ucleos pre-estelares en W43-MM1 sugiere que el campo magn´etico est´a fuertemente acoplado al material, y parece ser lo suficientemente fuerte a escalas circumestelares como para mantener una orientaci´on consistente de los flujos bipolares. Las propiedades de los granos de polvo en el medio interestelar son cruciales para analizar la evoluci´on de los discos protoplanetarios. En los discos de transici´on se observan anillos muy brillantes y asim´etricos en el continuo submilim´etrico. Estas asimetr´ıas apuntan a deformaciones en los discos internos que proyectan sombras sobre los discos externos. Esta tesis presenta observaciones multifrecuencia con ALMA y SPHERE (en el infrarrojo) del sistema DoAr 44, que confirman la presencia de decrementos de intensidad muy pronunciados en el disco externo consistentes con sombras producidas por un disco interno inclinado. Esta tesis contribuye con nuevos resultados sobre las caracter´ısticas de los mecanismos de emisi´on del polvo interestelar y su conexi´on con los procesos de formaci´on de estrellas y planetas. Las conclusiones presentadas se proyectan como base para futuras observaciones multifrecuencia de alta resoluci´on angular, en particular, para una caracterizaci´on m´as detallada de las propiedades del polvo en las escalas de tama˜no de discos protoplanetarios.

The area of the micro-physics of cosmic dust comprises a variety of astrophysical phenomena: from the emission mechanisms observed in the interstellar medium (ISM) to the formation of planetesimals in circumstellar disks. From the observational point of view, low frequency studies at high-angular resolutions can contribute to a better understanding of the properties of the dust grains and their interaction with their surroundings. This thesis focuses on the analysis of dust-related emission mechanisms at radio, (sub-)millimeter and infrared (IR) wavelengths, from the scale of molecular clouds, with sizes of ∼ 10 pc, down to protoplanetary disks, with sizes of ∼ 10 au. The Anomalous Microwave Emission (AME) points at new micro-physics associated with dust grains. Observations have shown that AME matches the spectrum of electric dipole emission from rapidly spinning very small grains (VSGs). However, the exact nature of the VSGs and the mechanisms responsible for spinning them up remain unconfirmed. This thesis presents observations from the Cosmic Background Imager 2 that reveal variations in the spinning dust emission across the ρ OphW photo-dissociation-region (PDR). The 31 GHz emission peaks on the PDR and shows the strongest correlation with IR tracers of Polycyclic Aromatic Hydrocarbons (PAHs), ubiquitous in the ISM. This suggests that the emission variations mainly depend on the characteristics of the local environment and their effects on the properties of the VSGs. The interstellar magnetic field is also an important environmental parameter that can be traced when interacting with dust grains. The gravitational collapse of pre-stellar cores set up the initial conditions for the formation of protoplanetary disks. This thesis uses Atacama Large Millimeter Array (ALMA) observations of polarized dust emission from the W43-MM1 high-mass star-forming region, that examine the relation between the magnetic field, the prestellar cores and their outflows. The analysis suggests that the magnetic field in W43-MM1 might be strongly coupled with the material of the cores, and it appears to be strong enough at circumstellar scales to maintain a consistent orientation of the bipolar outflows. The physical properties of the dust grains are also crucial to understand the evolution of protoplanetary disks. In the case of transition disks, very bright sub-mm continuum rings surround the cavities and can be extremely lopsided. The presence of warps reveal tilted inner disks that cast shadows on outer rings, and their characterization is important due to their impact in disk evolution. This thesis presents new multi-frequency ALMA and SPHEREIRDIS infrared scattered light observations of the disk around TTauri star DoAr 44, that confirm the presence of intensity decrements in the outer disk that are consistent with a tilted inner disk and a large continuum crescent. This thesis provides insights on dust-related emission mechanisms aimed to improve our understanding of interstellar dust and its connection to the processes of star and planet formation. The conclusions presented on the role of ISM dust at different size-scales provide a basis for upcoming high-resolution multi-frequency observations, in particular, for a more detailed characterization of the dust properties at the size-scales of protoplanetary disks.