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Statistical Analysis of Simulated Molecular Clouds

Molina Hernandez, Faviola Zuhé

German Title: Statistische Analyse von simulierten Molkülwolken

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Understanding molecular cloud formation is a major challenge in modern astrophysics. Although the improvements on computational power and novel astronomical instrumentation have allowed us to reach unprecedented accuracy, there are still many open questions. One key issue which helps us to understand the physics behind this problem is the correct comparison between numerical models and observations. Usually, the $^{12}$CO($J$=1-0) emission is considered to be a good tracer of the temperatures and structure of molecular clouds. However, it has been found that it may provide a biased picture of clouds, at best. In this thesis, we analyze a large set of numerical simulations with the aim of making direct comparison with observations. Using a 3D magneto-hydrodynamical simulation including time-dependent chemistry, we find that most of the CO is located at number densities greater than 100 cm$^{-3}$ and kinetic temperatures ($T_{\rm K}$) below 40 K, regardless of the mean number density ($n_0$), metallicity ($Z$) and UV radiation field strength (UV). Radiative transfer calculations are performed to analyze the $^{12}$CO($J$=1-0) rotational transition line intensity that comes out of the cloud. We then calculate the excitation temperature ($T_{\rm ex}$) considering theoretical and observational approaches and find that the gas is mostly sub-thermally excited, indicating that $T_{\rm ex}$ represents a lower limit of $T_{\rm K}$. $T_{\rm ex}$ is used for estimating the CO column density ($N_{\rm CO}$). Considering the full position-position-velocity spectrum for inferring $T_{\rm ex}$, instead of the usual way of using the maximum of the intensity along the line of sight, improves the estimates of $N_{\rm CO}$ by $\sim$30\%. Besides, when a single Milky-Way like CO-to-H$_2$ conversion factor is assumed, the total inferred mass of H$_2$ is underestimated by a factor which typically increases from $\sim$0.1 to 1, as the product $n_0\times Z$ decreases, and/or UV becomes stronger. Moreover, we propose density variance--Mach number relations for supersonic, magnetized, turbulent gas, including an isothermal and non-isothermal equation of state. These analytical relations reproduce satisfactorily the measurements made on numerical simulations. We find that the magnetic field strength scales with density in a relationship of the kind $B\propto \rho^{\alpha}$ with $0\leq \alpha< 1/2$.

Translation of abstract (German)

Die theoretische Beschreibung der Entstehung von Molek{\"u}lwolken ist eine gro{\ss}e Herausforderung der modernen Astrophysik. Obwohl mit verbe{\ss}erter Computerleistung und neuartiger astronomischer Instrumentierung beispiellose Genauigkeit erreicht wird, bleiben dennoch viele Fragen offen. Der Vergleich von numerischen Modellen mit Beobachtungen f{\"o}rdert das Verst{\"a}ndnis der physikalische Proze{\ss}e dieses Problems. Gew{\"o}hnlich wird die $^{12}$CO($J$=1-0) Emi{\ss}ion als guter Indikator der Temperaturen und der Struktur von Molek{\"u}lwolken betrachtet. Jedoch wurde festgestellt, da{\ss} diese im besten Fall nur ein verzerrtes Bild der Wolken ergeben. In dieser Arbeit analysieren wir eine gro{\ss}e Anzahl numerischer Simulationen mit dem Ziel direkte Vergleiche mit Beobachtungen zu ziehen. In 3D magnetohydrodynamischen Simulationen mit zeitabh{\"a}niger Chemie finden wir, da{\ss} sich der gr{\"o}{\ss}te Teil des COs bei Teilchendichten {\"u}ber 100 cm$^{-3}$ und kinetischen Temperaturen ($T_{\rm K}$) unter 40 K befindet. Dieses Ergebnis ist unabh{\"a}ngig von der mittleren Teilchendichte ($n_0$), der Metallizit{\"a}t ($Z$) und der St{\"a}rke des UV Strahlungsfeldes (UV). Strahlungstransport-Rechnungen werden durchgef{\"u}hrt, um die aus der Molek{\"u}lwolke entweichende Intensit{\"a}t der $^{12}$CO($J$=1-0) Rotations-{\"u}bergangs-Linie zu analysieren. Anschlie{\ss}end berechnen wir mit theoreti\-schen und beobachtungsbasierten Ans{\"a}tzen die Anregungstemperatur ($T_{\rm ex}$) und finden, da{\ss} das Gas meistens subthermisch angeregt ist, was anzeigt, da{\ss} $T_{\rm ex}$ eine untere Grenze von $T_{\rm K}$ darstellt. $T_{\rm ex}$ wird verwendet um die CO-S{\"a}ulendichte ($N_{\rm CO}$) abzusch{\"a}tzen. Ber{\"u}cksichtigung des gesamten Position-Position-Geschwindigkeits- Spektrums bei der Ableitung von $T_{\rm ex}$ anstelle der {\"u}blichen Methode, in der das Maximum der Intensit{\"a}t entlang der Sichtlinie verwendet wird, verbe{\ss}ert die Absch{\"a}tzung von $N_{\rm CO}$ um $\sim 30$\%. Bei Annahme des CO-zu-H$_2$ Konvertierungsfaktors der Milchstra{\ss}e, wird die abgelei\-tete Ma{\ss}e des H$_2$ um einen Faktor untersch{\"a}tzt, der typischerweise von $\sim$0.1 bis 1 anw{\"a}chst, wenn das Produkt $n_0\times Z$ abnimmt und/oder die St{\"a}rke der UV Strahlung zunimmt. Andererseits leiten wir Dichtevarianz-Machzahl Relationen f{\"u}r supersonisches, magnetisiertes, turbulentes Gas her, wobei wir eine isotherme sowie eine nicht-isotherme Zustandsgleichung ber{\"u}cksichtigen. Diese analytischen Relationen reproduzieren die Me{\ss}ungen aus den numer\-ischen Simulationen. Wir zeigen, da{\ss} die Magnetfeldst{\"a}rke und die Dichte einer Relation $B\propto \rho^{\alpha}$ folgen, wobei $0\leq \alpha< 1/2$ gilt.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Klessen, Prof. Dr. Ralf S.
Place of Publication: Heidelberg, Germana
Date of thesis defense: 25 July 2013
Date Deposited: 07 Aug 2013 07:10
Date: 2013
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Dekanat der Fakultät für Physik und Astronomie
Subjects: 500 Natural sciences and mathematics
520 Astronomy and allied sciences
530 Physics
Controlled Keywords: Astronomie, Astrophysik, Sternentstehung
Uncontrolled Keywords: Molecular clouds
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