German Title: Dichtes Gas und das interstellare Medium in nahen Galaxien: Der Zusammenhang zwischen dichtem Gas und galaktischer Umgebung

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Abstract

Galaxies act like engines converting gas into stars, which in turn produce the matter around us, laying the foundations of life. Studying the composition of this interstellar gas informs our understanding of how star formation proceeds, while also providing insight into the structure and evolution of our own Galaxy and the Universe. Research has found a strong connection between star formation and the molecular gas within galaxies. However, the most easily accessed molecular observables, such as carbon monoxide (CO) emission, only probe low-density gas in extragalactic systems, allowing us to scratch the surface of the star-forming structures.

Molecules which trace denser gas, such as hydrogen cyanide (HCN), are more challenging to observe but probe the immediate sites of star formation. In this thesis I analyze data from the first survey mapping the entire star forming disk of a sample of nearby galaxies in a suite of dense gas tracers (EMPIRE), to understand the interplay between dense gas and a wide range of galactic environments, distinct from the Milky Way. By studying the content of this dense gas in nearby galaxies I find surprising results: systematic variations of the dense gas fraction and its efficiency to form stars within and among galaxies. While more dense gas is located in regions of high interstellar pressure, this dense gas is less efficient to form stars.

To characterize the dense gas, I also explore how changes in the optical depth can affect the effective gas densities where the dense gas tracers emit, a new measurement in the disks normal star-forming galaxies. To better understand the bulk, lower-density molecular gas out of which the dense gas eventually forms, I also analyze CO line ratios to constrain carbon isotope abundances. I find the abundance to vary systematically within galaxy disks, likely due to strong fractionation effects. The results obtained in this thesis support a model where star formation depends strongly on host galaxy and the local galactic environment in the disk.

Translation of abstract (German)

Galaxien sind wie Maschinen die Gas in Sterne umwandeln, welche wiederum die Materie herstellen, die uns umgibt, und bilden so die Grundlagen für die Enstehung von Leben. Informationen über die Zusammensetzung dieses interstellaren Gases helfen uns dabei zu verstehen, wie Sternentstehung abläuft, und geben uns Einblicke in die Struktur und Entwicklung unserer eigenen Galaxie und des Universums. Bisherige Forschungsergebnisse zeigen einen starken Zusammenhang zwischen Sternentstehung und molekularem Gas in Galaxien.

Mit Hilfe der am einfachsten zu beobachtenden Moleküle wie Kohlenstoffmonoxid (CO) lässt sich allerdings nur Gas niedriger Dichte in extragalaktischen Systemen aufspüren. Somit ist es nicht möglich, in das Innere von Sternentstehungsgebieten zu sehen. Moleküle, mit denen dichteres Gas augespürt werden kann, wie z.B. Cyanwasserstoff (HCN), sind deutlich schwieriger zu beobachten aber ermöglichen einen Blick auf die tatsächlichen Stätten der Sternentstehung. In dieser Doktorarbeit analysiere ich Daten der ersten systematischen Kartierung solcher Moleküllinien der gesamten stellaren Scheiben in einer Auswahl naher Galaxien durch, um das Zusammenspiel zwischen dichtem Gas unter verschiedenen galaktischen, von der Milchstraße verschiedenen, Umgebungsbedingungen zu verstehen. Bei der Untersuchung des dichten Gases in nahen Galaxien zeigen sich interessante Ergebnisse: Sowohl innerhalb einer Galaxie als auch beim Vergleich verschiedener Galaxien gibt es systematische Variationen im Anteil Gases hoher Dichte im interstellaren Gas und in der Effizienz, mit der dieses Gas in Sterne umgewandelt wird. Dichtes Gas befindet sich eher in Gebieten mit hohem interstellaren Druck, ist aber zunehmend weniger effizient bei der Sternentstehung.

Um das dichte Gas zu charakterisieren, untersuchen ich auch wie die Opazität der Moleküllinien die effektiven Gasdichten beeinflussen können, bei denen diese Moleküllinien emittieren. In normalen Scheibengalaxien ist dies eine völlig neue Analyse. Um auch das Gas niedrigerer Dichte, aus dem sich letztlich das Gas hoher Dichte bildet, besser zu charakterisieren, analysiere ich auch die Verhältnisse von CO Linien um die Häufigkeiten von Kohlenstoffisotopen einschränken zu können. Es zeigt sich dass diese Häufigkeiten systematisch innerhalb von Galaxien variieren, vermutlich durch den Effekt der Fraktionierung. Die Ergebnisse dieser Arbeit untermauern ein Model, in dem Sternentstehung stark von Galaxie und der lokalen galaktischen Umgebung in der Scheibe abhängt.