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Abstract

Atomic hydrogen gas (HI) is an integral constituent of the interstellar medium (ISM) and thus plays a critical role in the assembly of molecular clouds, the sites of star formation. An important physical agent in controlling the transition from atomic to molecular gas is cold HI. HI emission, that traces a wide range of hydrogen properties, is found throughout the Galactic plane and exhibits complex kinematic signatures that are imposed by the Galactic rotation. The unfavorable viewing geometry from our vantage point in the Galaxy requires a new set of tools that allows us to disentangle HI structures along our lines of sight. In this thesis, I constrain the properties of the interstellar hydrogen in our Milky Way galaxy and present a way to isolate cold hydrogen from HI emission using HI self-absorption (HISA). The outer Galaxy offers a less confused view on HI emission, and we exploit this circumstance with unprecedented detail using the high-angular resolution data of The HI/OH/Recombination line survey of the inner Milky Way (THOR). We discover the “Maggie” filament, one of the largest, almost purely atomic filaments in the Milky Way. Maggie has a length of 1.2 kpc and is located on the far side of the Galaxy at a distance of 12 kpc from the Galactic center. Optical depth measurements suggest that Maggie is in a largely cold HI phase and molecular gas is only found on the smallest spatial scales. When targeting molecular clouds in the inner Galactic plane, we detect pronounced HISA as a tracer of cold hydrogen. While the kinematic correlation is less surprising due to the selection bias of our sample, the spatial distribution of cold HI gas is also found to be well correlated with that of the molecular gas. The detection of HISA furthermore extends to the whole of our survey. We frequently find absorption signatures without any associated molecular counterpart. While cold atomic gas is rendered vitally important to the formation process of molecular clouds, the cold phase of atomic hydrogen marks a distinct gas phase in the ISM that exists throughout the Galaxy, independent of the occurrence of molecular gas.

Translation of abstract (German)

Atomarer Wasserstoff (HI) ist ein wesentlicher Bestandteil des interstellaren Mediums (ISM) und spielt somit eine entscheidende Rolle bei der Entstehung von Molekülwolken, den Geburtsstätten von Sternen. Ein wichtiger physikalischer Faktor bei dem Übergang von atomarem zu molekularem Gas ist kaltes HI. HI-Emission, welche ein breites Spektrum an physikalischen Eigenschaften von Wasserstoff nachweist, durchdringt das gesamte interstellare Medium und zeigt komplexe kinematische Signaturen, die nicht zuletzt durch die galaktische Rotation verursacht werden. Unsere Position innerhalb der Milchstraßenebene erfordert dedizierte Methoden, die es ermöglichen, Hi-Strukturen entlang unserer Sichtlinien zu entflechten. In dieser Arbeit befasse ich mich mit den Eigenschaften des interstellaren Wasserstoffs in unserer Milchstraße und präsentiere eine neue Methode, kalten Wasserstoff mit Hilfe von HI-Selbstabsorption (HISA) zu isolieren. Dank hochauflösender Daten der THOR-Durchmusterung (The HI/OH/Recombination line survey of the inner Milky Way) untersuchen wir die entlegenen Regionen der Milchstraße auf Wasserstoffstrukturen. Wir entdecken das „Maggie“-Filament, eine der größten, fast rein atomaren Wolken in der Milchstraße. Maggie hat eine Länge von 1,2 kpc und befindet sich auf der anderen Seite der Galaxie in einer Entfernung von 12 kpc vom galaktischen Zentrum. Absorptions-Messungen legen nahe, dass sich Maggie zu einem großen Teil aus kaltem HI zusammensetzt, und molekulares Gas wird nur auf den kleinsten räumlichen Skalen sichtbar. Bei der Untersuchung von molekularen Wolken in der inneren Galaxieebene entdecken wir ausgeprägte HISA-Signaturen als Tracer für kalten Wasserstoff. Während die kinematische Korrelation aufgrund des Samples weniger überraschend ist, zeigt die räumliche Verteilung des kalten HI-Gases eine signifikante Korrelation mit der des molekularen Gases. Die Detektion von HISA erstreckt sich zudem über die gesamte Milchstraßenebene. Wir finden oft Absorptionssignaturen ohne zugehöriges molekulares Gegenstück. Während kaltes atomares Gas im Entstehungsprozess molekularer Wolken von entscheidender Bedeutung ist, repräsentiert die kalte Phase des atomaren Wasserstoffs eine deutlich ausgeprägte Gasphase, die sich unabhängig von molekularem Gas über die gesamte Galaxie erstreckt.