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Nubes interestelares,formación estelar, y fractales.
Néstor SánchezIAA-CSIC, aquimismo.
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MotivaciónFormación estelar: no entendemos casi ná
(ej. Qué determina la masa de las estrellas?)
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Scalo (1998)
61 cúmulos abiertos y asociaciones(relleno=VL, abiertos=LMC)
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MotivaciónEstrellasrecién nacidas
Condiciones iniciales:GMCs, clouds, clumps (estructura ISM)Variables ambientales?
Formación estelar
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Estructura jerárquica,masas, tamaños, …
IMF, distribución espacial,…
Estudio/Caracterización Cuantitativa/Objetiva/Sistemática
???
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Para (poder hacer) un análisis sistemáticola caracterización debe ser cuantitativa.
bonita? uf, complicada!
Eliminar la componente subjetiva y analizar muchos datos.
Y la herramienta de análisis debe ser “robusta”…
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redondita? guapo “normalito”
Elmegreen & Falgarone (1996).
debe ser “robusta”…
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• Mapas de nubes cercanas muestran unaestructura jerárquica y auto-similar
Nube Molecular Taurus(IRAS 100µ emisión)
Complejo Taurus: emisión integrada
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Complejo Taurus: emisión integradaen 12CO (Falgarone et al. 1991)
Jerarquía + auto-similaridad: fractales! à Análisis fractal
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¿Qué es un fractal?
• The Fractal Geometry of Nature (Mandelbrot, 1983). http://www.math.yale.edu/mandelbrot/
Definición matemática:
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Objeto cuya dimensión de Hausdorff (dimensiónfractal) excede su dimensión topológica(%@#!!!?).
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¿Qué es un fractal?
• The Fractal Geometry of Nature (Mandelbrot, 1983). http://www.math.yale.edu/mandelbrot/
• Un fractal usualmenteusualmente:
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– Es muy irregular (en términos euclidianos) – Tiene estructura (fina) a pequeñas escalas– Se construye a partir de una definición
recursiva– Es auto-similar (al menos
aproximadamente)
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Curva de Koch
Dendrita de Julia
Triángulo de Sierpinski
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La naturaleza esta llena de objetos tipo-fractal.
Los fractales pueden ser útiles a la hora de tratar de modelizar y/o entender la naturaleza.
Las nubes no son esferas, las montañas no son conos, las líneas costeras no son círculos, las cortezas no son suaves, y tampoco los rayos viajan en línea recta (Mandelbrot, en la introduction de The Fractal Geometry of Nature).
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Dimensión fractal
--------------------------------------------“How long is the Coast of Venezuela”
En el ensayo de Mandelbrot hay un capítulo titulado:“How long is the Coast of Britain”
N = L / R
L
N = L / RDf , Df > 1
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“How long is the Coast of Venezuela” N = L / RDf , Df > 1
Costa de Noruega: Df=1.52
Costa de Australia: Df=1.13Costa de Venezuela: Df=???
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• Mapas de nubes cercanas muestran unaestructura jerárquica y auto-similar
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Podemos cuantificar la estructura (el grado de complejidad, de irregularidad, de “clumpiness”) a través de su dimensión fractal (Df).
à Estructura fractal subyacente
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Nubes fractales simuladas: 13/24
Df=2.6Df=2.3 Df=2.9
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Estimadores de la dimensión fractal:Area-Perímetro-area: P ~ ADper/2
Masa-radio: M ~ rDm
Integral de correlación: C ~ rDc
F ~ xDf
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Complejo Taurus: emisiónintegrada en 12CO(Falgarone et al. 1991)
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• Los mapas observados indican que:Dper ≅ 1.35
• Lo cual “sugiere” que en 3D:Df = Dper+1 (e.g. Beech 1992).
• Por tanto, Df ≅ 2.35!!! (valor universal)
Estado “actual”: 15/24
• Por tanto, Df ≅ 2.35!!! (valor universal)Difusión turbulenta en un fluidoincompresible da Df ≅ 2.3 (Meneveau & Sreenivasan 1990).
TODO Ok!!!
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Df (ISM) = ???
Enfoque empírico : simulación (nubes) + proyección + calcular Df
miprogramita.f
Df(ISM) ≈ 2.3 = universal !!!???
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miotroprogramita.f
Df bien definida
Df=2.6Df=2.3
Df(imagen)Dper,Dc,Dm DperDper==11..35 35 àà DfDf = = 22..6 6 +/+/-- 00..1 1 !!!!!!
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• Los mapas observados indican que:Dper ≅ 1.35
• Lo cual “sugiere” que en 3D:Df = Dper+1 (e.g. Beech 1992).
• Por tanto, Df ≅ 2.35!!! (valor universal)
Estado “actual”: 17/24
• Por tanto, Df ≅ 2.35!!! (valor universal)Difusión turbulenta en un fluidoincompresible da Df ≅ 2.3 (Meneveau & Sreenivasan 1990).
TODO Ok???
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Ophiuchus, Perseus (COMPLETE, Ridge et al. 2006)
Mapas en 13CO
Df=2.6-2.8 (Universal?)
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Orion (Nobeyama, Tatematsu et al. 1993)
Df=2.3 vs Df=2.6Federrath et al. 2009:
D∼2.3 forcing compresivoD∼2.6 forcing solenoidal (M=5.5)
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Cúmulos estelares / asociaciones
ISM fractal (jerárquico, clumpy)
Estructura de un cúmulo: condiciones iniciales + evolución dinámica (temprana)
Estado inicial de un cúmulo?
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Fuentes infrarojas enNGC 2264 (Lada+2003)
IC 348 IC 2391 Taurus
Estructura inicial clumpy à relajación dinámica (subestructura se disuelve)à Perfil radial de densidad
“Creencia” generalizada:
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Dimensión fractal en cúmulos jóvenes20/24
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IC 348. Luhman+2003. IC 2391. Barrado+201.
Clumpy versus smooth structure21/24
IC 348. Luhman+2003.age(webda)~40 Myr
IC 2391. Barrado+201.age(webda)~50 Myr
Karchenko:Rc=3.6 arcminRt=7.8 arcminWebda:Rcluster=4 arcmin
Simulated fractal
Radial clustering Fractal clusteringProfile fitting:
Fractal dimension...
First step: we need to distinguish (but not by eye!)between fractal clustering and density gradient
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n(3D) ~ r^(-alpha)
Fractal(3D)
Minimum spanning tree: Structure parameter (Q) IC 348. Luhman+2003. IC 2391. Barrado+2001.
Q=0.98 Q=0.66
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smQ=
Cartwright+2004:---> (normalized) mean length of the branches
---> (normalized) mean separation between stars
Homogeneous distributionof points: Q≈0.8
Fractal clustering (clumpy) --> Q decreases (Q<0.8)
Central clustering (radial) --> Q increases (Q>0.8) {
Q=0.98 Q=0.66
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- Spatial substructure in old clusters -Q increases with ~ T/Tcross-(as it should be for each cluster!)
MST (open clusters) 23/24
-(as it should be for each cluster!)
Lowest Dc value = 1.74à Df(3D)~ 1.9-2.2 << 2.6+/-0.1 (ISM)
- Perhaps some clusters may develop somekind of substructure starting from an initiallymore homogeneous state (Goodwin+2004).
- Another possibility is that the Df in theGalaxy does not have a universal valueand therefore some regions form starsdistributed following more clustered patterns.
Maschberger+2010
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Resumiendo…• Análisis fractal (guay):
estructura del ISM + distribución de estrellas
• MST – Q: cúmulos (clustering radial y/o fractal)
• Df(ISM) ≈ 2.7 +/- 0.1 (> 2.3) (universal?)
• Df(estrellas) = … (efectos evolutivos), Df(t=0) << 2.7???
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• Df(estrellas) = … (efectos evolutivos), Df(t=0) << 2.7???
Futuro:
- Otras herramientas de análisis cuantitativo(Sandra?, si viniste estas viendo esto!)
- Aplicación sistemática (ISM + estrellas)
- Otros sistemas/escalas espacialesGracias…
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