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The Physics of Cloud-scale Star Formation and Feedback Across Cosmic Time

Hygate, Alexander Philip Stuart

German Title: Die Physik der Sternentstehung und stellaren Rückkopplung auf den Größenskalen von Wolken über kosmische Zeit

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Abstract

Stars are an important visible and massive constituent of galaxies. They form out of cool, dense molecular gas regions known as molecular clouds and in turn impact this gas by emitting energy and mass known as "stellar feedback". Therefore, understanding the formation of stars and the feedback they generate is crucial for understanding galaxy formation. As a result of modern telescope facilities, high sensitivity, high resolution (cloud-scale) imaging of molecular gas is becoming available in an increasing number of galaxies. Analysis of this data with matched resolution observations of recently-formed, massive stars allows the characterisation of the star formation process on the cloud scale. The "uncertainty principle for star formation" is a statistical method for measuring the relative duration and spatial distribution of evolutionary phases of the star formation process. When applied to observational images that trace molecular clouds and regions of young stars, the method measures the duration of molecular cloud lifetimes, the timescale of their destruction by stellar feedback and the mean separation length between star forming regions. In this thesis, I investigate the physics of star formation and feedback on the cloud scale and present contributions to the development of methods for this analysis. First, I assess the impact of noise, astrometric offsets and diffuse emission on measurements made with the "uncertainty principle for star formation". I present a physically motivated method for separating emission from compact structures and diffuse extended structure in an image. The method separates diffuse and compact emission via filtering in Fourier space, with a filter defined by the mean separation length between star forming regions. This method enables the determination of the molecular cloud lifecycle and the mean separation between star forming regions with the "uncertainty principle for star formation" in data containing a diffuse background component. Second, I present the application of the "uncertainty principle for star formation" to determine the lifecycles of molecular clouds in the nearby flocculent galaxy M33. These measurements indicate that clouds in M33 have lifetimes approximately once or twice the timescale for their collapse due to gravitational freefall. Subsequently clouds are dispersed by stellar feedback over a timescale that could allow the earliest supernovae to explode whilst still embedded in their natal clouds. Third, I present the decomposition of tracer images of the molecular and ionised gas in nine nearby galaxies into compact and diffuse components and thus determine the fraction of emission coming from these components. I then present a correlation analysis between these emission fractions and a number of parameters characterising the galaxies in the sample. Last, I summarise the work of the thesis and present some future prospects for extending analyses such as the work presented in this thesis to other galactic environments in the Nearby Universe and further out into cosmic history.

Translation of abstract (German)

Sterne sind ein wichtiger, sichtbarer und massereicher Bestandteil von Galaxien. Sie bilden sich aus kühlen, dichten molekularen Gasregionen, die als Molekülwolken bekannt sind und im Gegenzug wirken auf dieses Gas ein, indem sie Energie und Masse abstrahlen. Dieser Vorgang ist als « stellare Rückkopplung» bekannt. Aus diesem Grund ist das Verständnis der Sternentstehung und der von ihr erzeugten Rückkopplung von entscheidender Bedeutung für das Verständnis der Galaxienentstehung. Infolge der Moderne Teleskope wird hochauflösende, hochempfindliche Bildgebung für immer mehr Galaxien verfügbar. Die Analyse dieser Daten mit Beobachtungen passender Auflösung der neugebildete, massereiche Sterne ermöglicht die Beschreibung des Sternentstehungsprozesses auf den Größenskalen der Wolken. Die « Unbestimmtheitsrelation für Sternentstehung» ist eine statistische Methode für die Bestimmung der relativen Dauer und räumlichen Verteilung der Evolutionsphasen des Sternentstehungsprozess. Bei ihrer Anwendung auf Beobachtungsbilder, die Molekülwolken und Regionen junger Sterne verfolgen, misst die Methode die Dauer der Lebenszeiten der Molekülwolken, die Zeitskala ihrer Zerstörung durch stellare Rückkopplung und den mittleren Abstand zwischen Sternentstehungsregionen. In dieser Arbeit, untersuche ich die Physik der Sternentstehung und stellare Rückkopplung auf den Größenskalen der Wolken und präsentiere Beiträge zur Entwicklung der Methoden für diese Analyse. Erstens beurteile ich die Auswirkungen von Rauschen, astrometrischer versatzen und diffuser Emission auf Messungen, die mit der « Unbestimmtheitsrelation für Sternentstehung» durchgeführt wurden. Ich präsentiere ein physikalisch motiviertes Verfahren zur Trennung der Emission von Kompakten Strukturen und diffuser ausgedehnter Struktur in einem Bild. Das Verfahren trennt diffuse und kompakte Emission durch Filterung im Fourier-Raum, mit einem Filter, der durch den mittleren Abstand zwischen Sternentstehungsregionen definiert ist. Dieses Verfahren ermöglicht die Bestimmung des Lebenszyklus von Molekülwolken und des mittleren Abstands zwischen Sternentstehungsregionen mit der « Unbestimmtheitsrelation für die Sternentstehung» in Daten, die eine diffuse Hintergrundkomponente enthalten. Zweitens präsentiere ich die Anwendung der « Unbestimmtheitsrelation für Sternentstehung» zur Bestimmung des Lebenszyklus von Molekülwolken in der nahen Flocculent-Spiralgalaxie M33. Diese Messungen deuten darauf hin, dass Molekülwolken in M33 eine Lebensdauer haben, die ein- oder zweimal so lang wie die Zeitskala des Gravitationskollaps im freien Fall. Anschließend werden Molekülwolken durch stellare Rückkopplung über einen Zeitraum zerstreut, der es den frühesten Supernovae erlauben könnte, zu explodieren, während diese noch in ihren Geburtswolken eingebettet sind. Drittens präsentiere ich für neun nahegelegenen Galaxien die Zersetzung von Bildern des molekularem und ionisierten Gases in Kompakte und diffuse Komponenten, und bestimm somit den Emissionsanteil der Komponenten. Weiterhin präsentiere ich eine Korrelationsanalyse zwischen diesen Emissionsanteile und einer Reihe von Parametern, die die Galaxien in der Stichprobe Beschreiben. Zuletzt fasse ich diese Arbeit zusammen und präsentiere einige Zukunftsperspektiven für die Ausweitung der Analysen, wie sie in dieser Arbeit durchgeführt wurden, auf andere galaktische Umgebungen im nahen Universum und weiter entfernt in der kosmischen Geschichte.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Kruijssen, Dr. J. M. Diederik
Place of Publication: Heidelberg
Date of thesis defense: 30 January 2020
Date Deposited: 04 Mar 2020 11:46
Date: 2020
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Dekanat der Fakultät für Physik und Astronomie
Service facilities > Zentrum für Astronomie der Universität Heidelberg (ZAH) > ZAH: Astronomisches Rechen-Institut
Service facilities > Max-Planck-Institute allgemein > MPI for Astronomy
Subjects: 520 Astronomy and allied sciences
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