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The Role of Turbulence in the Process of Star Formation

Bertram, Erik

German Title: Die Rolle von Turbulenz im Sternentstehungsprozess

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Abstract

The aim of this thesis is to study the role of interstellar turbulence in the process of star formation. We demonstrate that supersonic turbulent motions significantly affect various properties of the interstellar medium (ISM). Therefore, we run numerical simulations of molecular clouds in different environments. In particular, we study typical clouds located in the Milky Way disk as well as clouds which can be found in more extreme regions in our Galaxy, e.g. in the Central Molecular Zone (CMZ) near the Galactic Center. In addition, we perform radiative transfer calculations of numerous diagnostic fine structure lines and compare our results with observational measurements. Furthermore, we analyze the influence of the turbulence on different observables, e.g. on the structure functions, the ∆-variance, the power spectra as well as the star formation efficiencies. We also study the impact of turbulent motions on the chemistry and the different phases of the ISM. Our studies about Milky Way disk clouds show that the statistical properties of the turbulence are significantly influenced by the individual gas tracers. Moreover, our investigations about CMZ-like clouds show that high levels of turbulence can significantly suppress, but never inhibit star formation, owing to local compression of gas by turbulent shocks. Finally, we show that various atomic tracers accurately reflect most of the physical properties of both the H2 and the total gas of the cloud and that they provide a very useful alternative to common molecular lines when we study the ISM in the CMZ.

Translation of abstract (German)

In dieser Arbeit studieren wir den Einfluss von interstellarer Turbulenz auf den Sternentstehungsprozess. Wir zeigen, dass supersonische Turbulenz verschiedene Eigenschaften des interstellaren Mediums (ISM) signifikant beeinflusst. Dazu rechnen wir numerische Simulationen von typischen Molekülwolken in verschiedenen Umgebungen. Wir analysieren im besonderen typische Gaswolken, die man in der Scheibe der Milchstraße findet, sowie solche, die in extremeren Regionen unserer Galaxis vorkommen, z.B. in der zentralen Molekularzone (CMZ) in der Nähe des galaktischen Zentrums. Zusätzlich rechnen wir einen Strahlungstransport in verschiedenen Feinstrukturlinien und vergleichen unsere Ergebnisse mit Beobachtungen. Wir untersuchen den Einfluss der Turbulenz auf unterschiedliche Observable, z.B. auf die Strukturfunktionen, die ∆-Varianz, die Energiespektren sowie die Sternentstehungseffizienzen. Weiterhin analysieren wir die Wirkung der Turbulenz auf die Chemie und die verschiedenen Phasen des ISM. Unsere Studien der Gaswolken in der Milchstraßenscheibe zeigen, dass die statistischen Eigenschaften der Turbulenz signifikant durch den verwendeten Gas-Tracer beeinflusst werden. Des Weiteren demonstrieren wir anhand unserer Studien der Gaswolken im galaktischen Zentrum, dass starke Turbulenz die Sternentstehung signifikant dämpfen, jedoch nicht blockieren kann. Schließlich zeigen wir, dass atomare Gas-Tracer zahlreiche Eigenschaften des H2- sowie des gesamten Gases der Wolke gut reproduzieren und dass sie eine nützliche Alternative zu molekularen Linien bei Studien des ISM in der CMZ bieten.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Klessen, Prof. Dr. Ralf
Date of thesis defense: 3 February 2016
Date Deposited: 16 Feb 2016 15:28
Date: 2016
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
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