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Cosmic ray feedback in galaxy formation and a numerical model for turbulence

Jacob, Svenja

German Title: Rückkopplungseffekte von kosmischer Strahlung auf die Galaxienentstehung und ein numerisches Modell für Turbulenz

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Abstract

Feedback processes play an important role in galaxy formation since they regulate star formation both in low mass galaxies and in massive galaxy clusters. Which mechanisms dominate and how the feedback couples to the surrounding medium, are still open questions. In this thesis, we study the feedback from cosmic rays in different environments in more detail. We develop steady state models for a sample of galaxy clusters, in which cosmic ray heating together with thermal conduction prevents large cooling flows. Observational constraints reveal that cosmic ray heating is only viable in clusters that do not show signatures of enhanced cooling. This might indicate a self-regulated feedback cycle. On galactic scales, cosmic rays can drive winds if they are allowed to diffuse or stream out of the galaxy. We demonstrate in simulations of isolated galaxies that cosmic rays are able to regulate star formation in low mass galaxies but the wind efficiency drops rapidly with increasing galaxy mass. Furthermore, almost all astrophysical flows are highly turbulent. This is a challenge for numerical simulations, which cannot resolve all scales of the turbulent cascade. Therefore, we implement a model for turbulence on subgrid scales into the hydrodynamics code AREPO. We validate our model in idealized test cases and apply it to simulations of turbulent boxes.

Translation of abstract (German)

Rückkopplungsprozesse spielen eine wichtige Rolle bei der Galaxienentstehung, da sie die Sternentstehung sowohl in Galaxien mit geringer Masse als auch in massereichen Galaxienhaufen regulieren. Welche Mechanismen dominieren und wie genau die Rückkopplung mit dem umgebenden Medium verbunden ist, sind immer noch offene Fragen. In dieser Arbeit analysieren wir im Detail die Rückkopplungseffekte von relativistischen Teilchen in verschiedenen Umgebungen. Wir entwickeln stationäre Modelle für mehrere Galaxienhaufen, in denen relativistische Teilchen zusammen mit Wärmeleitung unkontrolliertes Kühlen verhindern. Beobachtungen zeigen, dass relativistische Teilchen nur in solchen Galaxienhaufen effizient heizen können, in denen es keine Anzeichen von vermehrtem Kühlen gibt. Dies könnte auf einen selbstregulierten Zyklus hindeuten. Auf galaktischen Skalen können relativistische Teilchen Winde antreiben, wenn die Teilchen aus der Galaxie herausdiffundieren oder strömen können. Wir zeigen mit Hilfe von Simulationen einzelner Galaxien, dass relativistische Teilchen die Sternentstehung in Galaxien mit geringer Masse kontrollieren können, wobei aber die Effizienz der Winde bei höheren Galaxienmassen schnell abnimmt. Desweiteren sind nahezu alle astrophysikalischen Strömungen hoch turbulent. Dies stellt eine Herausforderung für numerische Simulationen dar, die nicht alle Skalen der turbulenten Kaskade auflösen können. Daher implementieren wir ein Modell für Turbulenz unterhalb der Gitterskala in das Hydrodynamikprogramm AREPO. Wir überprüfen erfolgreich unser Modell mit Hilfe von idealisierten Testproblemen und verwenden es in Simulationen von turbulenten Boxen.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Springel, Prof. Dr. Volker
Date of thesis defense: 23 October 2018
Date Deposited: 07 Nov 2018 10:17
Date: 2018
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Dekanat der Fakultät für Physik und Astronomie
Subjects: 520 Astronomy and allied sciences
530 Physics
Uncontrolled Keywords: Cosmic rays, Galaxy formation, Galaxy clusters, Galactic winds, Turbulence
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