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The Molecular Interstellar Medium of Nearby Star-Forming Galaxies

Schruba, Andreas

German Title: Das Molekulare Interstellare Medium von Nahen Sternebildenden Galaxien

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Abstract

This thesis presents a comprehensive analysis of the relationship between the star forma- tion rate (SFR) and atomic (HI) and molecular (H2) gas surface densities — known as the 'Star Formation Law'. The investigation capitalizes on the HERACLES survey which mapped molecular gas emission with unprecedented resolution and sensitivity across the star-forming disks of 48 nearby spiral and dwarf galaxies. This data is complemented by recent very high quality radio, infrared, and ultraviolet data to form an unmatched multi-wavelength database. We develop a novel method to average spectral data to derive the most sensitive measurements of CO emission to date. In spiral galaxies, we trace >90% of CO which is located in an exponential disk similar to that of young and old stars. In dwarf galaxies, we derive the first sensitive constraints on the total CO luminosity. With these data we explore the limits of the SF Law in three different regimes: (1) In spiral galaxies, SFR is linearly related with H2, even in regions that are dominated by the atomic gas phase. The highly non-linear relation between SFR and total gas (HI+H2) is thus sensitively controlled by the HI–H2 phase transition. (2) The ratio SFR/CO is approx- imately constant for massive galaxies but increases strongly in low-mass, low-metallicity dwarf galaxies which suggests a significant (factor 10−100) change in the CO-to-H2 conversion factor. (3) The SF Law shows considerable scatter on small (~100 pc) scales, corresponding to the spatial scale of individual star-forming regions and is indicative of their evolution.

Translation of abstract (German)

Diese Promotionsarbeit stellt eine umfassende Untersuchung des Zusammenhangs von Sternentstehungsrate (SFR) und atomarer (HI) and molekularer (H2) Gasoberflächendichte dar — bekannt als 'Sternentstehungsgesetz'. Diese Studie basiert auf der HERACLES Beobachtungskampagne, welche molekulares Gas mit einmaliger Auflösung und Sensitivität über die stellare Scheibe von 48 benachbarten Spiral- und Zweiggalaxien bestimmt hat. Diese Daten werden vervollständigt durch neue Radio, Infrarot, und Ultraviolett Daten von sehr hoher Qualität und bilden eine einzigartige Datenbank des elekromagnetischen Spektrums. Wir haben eine neuartige Methode entwickelt, um Spektren zu mitteln, und bestimmen damit die zur Zeit sensitivsten Messungen von CO Helligkeit. In Spiralgalaxien können wir >90% der CO Strahlung ausfindig machen, welche in einer exponentiellen Scheibe verteilt ist, vergleichbar mit der von jungen und alten Sternen. In Zwerggalaxien bestimmen wir die allerersten sensitiven Messungen der gesamten CO Helligkeit. Mit diesen Daten untersuchen wir die Grenzen des Sternentstehungsgesetzes in drei verschiedenen Regionen: (1) In Spiralgalaxien finden wir SFR und H2 linear verbunden, sogar in Regionen die hauptsächlich aus atomarem Gas bestehen. Die stark nicht-lineare Beziehung zwischen SFR und totaler Gasmasse (HI+H2) ist somit empfindlich durch den HI–H2 Phasenübergang kontrolliert. (2) Das Verhältnis SFR/CO ist ungefähr konstant in massereichen Galaxien, aber steigt erheblich an in massearmen, metallarmen Zwerggalaxien, was ein stark (Faktor 10−100) vergrössertes CO-H2 Verhältnis nahelegt. (3) Das Sternentstehungsgesetz beinhaltet grosse Streuung auf kleinen (~100 pc) Skalen, entsprechend der Ausdehnung einzelner Sternentstehungsgebiete und mit deren Entwicklung zusammenhängt.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Rix, Prof. Dr. Hans-Walter
Date of thesis defense: 24 November 2011
Date Deposited: 31 Jul 2012 15:05
Date: 2011
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Dekanat der Fakultät für Physik und Astronomie
Subjects: 520 Astronomy and allied sciences
Controlled Keywords: Astronomie, Galaxie, Interstellare Materie, Sternentstehung
Uncontrolled Keywords: astronomy , galaxies , interstellar medium , star formation
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