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The formation of molecular clouds and stars by turbulent compression and collapse

Federrath, Christoph

German Title: Die Entstehung von Molekülwolken und Sternen durch turbulente Kompression und Kollaps

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Abstract

Das Ziel dieser Arbeit ist, die Rolle der interstellaren Turbulenz für die Sternentstehung besser zu verstehen. Dazu wurde der Mechanismus der turbulenten Energieerzeugung, das Treiben der Turbulenz, mit Hilfe hydrodynamischer Simulationen untersucht. In einem systematischen Vergleich wurden die beiden Extremfälle turbulenten Treibens betrachtet: solenoidales (divergenzfreies) Treiben und komprimierendes (rotationsfreies) Treiben. Ich zeige, dass sowohl die Dichte-, als auch die Geschwindigkeitsstatistiken für diese beiden Fälle jeweils signifikant unterschiedlich sind. Die fraktale Struktur und die Wahrscheinlichkeitsverteilung der Dichte des turbulenten Gases werden detailliert untersucht. Das Ergebnis ist eine nahezu Gaußsche Wahrscheinlichkeitsverteilung mit einer Standardabweichung, die für komprimierendes Treiben drei Mal größer ist als für solenoidales Treiben. Die Bedeutung dieses Ergebnisses für analytische Sternentstehungsmodelle wird diskutiert. Ein detaillierter Vergleich mit Beobachtungsdaten zeigt, dass verschiedene Regionen in Molekülwolken Anzeichen für unterschiedliches Treiben der Turbulenz aufweisen, wobei komprimierendes Treiben bevorzugt in expandierenden Schalen dichten Gases beobachtet wird. Um den Gravitationskollaps dichten Gases in numerischen Simulationen verfolgen zu können, wurden akkretierende 'Sink Teilchen' in den adaptiven Gittercode FLASH implementiert. Mit Hilfe der Sink Teilchen zeige ich, dass die Sternentstehungsrate durch komprimierendes Treiben um mehr als eine Größenordnung größer ist als durch solenoidales Treiben. Dies ist konsistent mit analytischen Modellen.

Translation of abstract (English)

The goal of this work is to improve our understanding of the role of interstellar turbulence in star formation. In particular, the mechanism of turbulence energy injection, the turbulence forcing, is investigated with hydrodynamical simulations. In a systematic comparison, I study the two limiting cases of turbulence forcing: solenoidal (divergence-free) forcing and compressive (curl-free) forcing. I show that these two cases yield significantly different gas density and velocity statistics. The fractal structure of the gas and the turbulent density probability distribution function (PDF) are explored in detail. I find that compressive forcing yields a three times higher standard deviation of the roughly Gaussian density PDF. I discuss the impact of this result on analytic models of star formation. A detailed comparison with observational data reveals that different observed regions show evidence of different mixtures of compressive and solenoidal forcing, with more compressive forcing occurring primarily in swept-up shells. To follow the gravitational collapse of dense gas in numerical simulations, I implemented accreting sink particles in the adaptive mesh refinement code FLASH. Using sink particles, I show that compressive forcing yields star formation rates more than one order of magnitude higher than solenoidal forcing, consistent with analytic models.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Klessen, Prof. Dr. Ralf S.
Date of thesis defense: 7 June 2010
Date Deposited: 23 Jun 2010 15:35
Date: 2010
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Dekanat der Fakultät für Physik und Astronomie
Subjects: 520 Astronomy and allied sciences
Controlled Keywords: Smoothed Particle Hydrodynamics, Kartesisches Gitter, Turbulenz, Turbulenztheorie, Turbulente Strömung, Numerische Mathematik, Sternentstehung
Uncontrolled Keywords: sink particles
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