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On Filaments in Molecular Clouds and their Connection to Star Formation

Chira, Roxana-Adela

German Title: Filamente in Molekülwolken und ihre Verbindung zur Sternentstehung

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Abstract

In recent years, there have been many studies on the omnipresence and structures of filaments in star-forming regions, as well as the role of their fragmentation in the process of star formation. However, only a few comprehensive studies have analysed the evolution of filaments and their distribution with the Galactic disk where the filaments form self-consistently as part of large-scale molecular cloud evolution. In this thesis, I study the effect of inclination on dust observations of filaments to evaluate whether the variations would enable the identification of further filaments in existing dust surveys. I address the early evolution of pc-scale filaments that form within individual clouds and focus on the questions how and when the filaments fragment, and how the fragmentation relates to typically used observables of the filaments. I perform dust radiative transfer calculations on models of cylinders and reconstructions of observed star-forming regions. For evaluating the equilibrium state of filaments and the nature of their fragmentation I examine three simulated molecular clouds formed in kpc-scale numerical simulations modelling a self-gravitating, magnetised, stratified, supernova-driven interstellar medium. I find that the observables of filaments in dust emission are on average on small scales influenced by inclination; yet the variations strongly depend on the structure of the object. The first fragments appear when the line masses of the simulated filaments lie well below the critical line mass of Ostriker’s isolated hydrostatic equilibrium solution. This indicate that, although the turbulence of the entire clouds is mostly driven by gravitational contraction, fragmentation does not occur do to gravitational instability, but is supported by colliding flow motions. I conclude that there is no single quantity in my analysis that can uniquely trace the inclination and 3D structure of a filament based on dust observations alone. A simple model of an isolated, isothermal cylinder may not provide a good approach for fragmentation analysis, independently of the dominant driving source of the parental cloud.

Translation of abstract (German)

In den letzten Jahren wiesen viele Studien sowohl auf die Omnipräsenz und Strukturen von Filamenten in Sternentstehungsregionen, als auch auf die Rolle ihrer Fragmentierung in der Sternentstehung hin. Jedoch gibt es nur wenige umfassende Studien, die einheitlich Filamente in großskaligen Simulationen von Molekülwolken entwickeln lassen und deren Entwicklung und Verteilung innerhalb der galaktischen Scheibe analysieren. In dieser Arbeit untersuche ich den Effekt von Inklination auf Staubbeobachtungen von Filamenten and evaluiere, ob die Variationen die Identifizierung weiterer Filamente in bereits existierenden Staubstudien ermöglichen. Ich führe Staubstrahlungstransportberechnungen für zylindrische Modelle und Rekonstruktionen von beobachteten Sternentstehungsregionen durch. Um das Gleichgewichtsstadium und die Fragmentierung der Filamente zu beurteilen, examiniere ich drei simulierte Molekülwolken, die in kpc-großen numerischen Simulationen, die ein eigengravitierendes, magnetisiertes, geschichtetes, durch Supernoven getriebenes interstellares Medium modellieren, entstanden sind. Dabei finde ich, dass die Observablen in Staubemission nur gering von der Inklination der Filamente beeinflusst werden; wobei die Variationen stark von der Struktur der Objekte selbst abhängen. Die ersten Fragmente erscheinen, wenn die Linienmasse der simulierten Filamente unterhalb des kritischen Wertes, der durch Ostrikers isolierte, hydrostatische Gleichgewichtslösung gegeben ist. Das zeigt, dass, obwohl die Turbulenz der ganzen Wolke hauptsächlich durch gravitative Kontraktionen getrieben wird, die Fragmentierung nicht aufgrund gravitativer Instabilität geschieht, sondern durch kollidierende Gasflüsse angeregt wird. Ich schließe daraus, dass es keine Messgröße in meiner Analyse, die alleinstehend und eindeutig die Inklination und 3D Strukturen eines Filaments widerspiegeln kann. Außerdem kann ein simples Model eines isolierten, isothermen Zylinders keine gute Näherung für die Fragmentierung bieten, unabhängig von der dominanten Turbulenzquelle der übergeordneten Wolke.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Henning, Prof. Dr. Thomas
Place of Publication: Heidelberg
Date of thesis defense: 22 January 2018
Date Deposited: 02 Feb 2018 10:59
Date: 2018
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Dekanat der Fakultät für Physik und Astronomie
Service facilities > Max-Planck-Institute allgemein > MPI for Astronomy
Subjects: 520 Astronomy and allied sciences
530 Physics
Controlled Keywords: Sternentstehung, Molekülwolke, Interstellares Materie, Turbulenz, Strahlungstransport
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